(57)【要約】【課題】空気亜鉛及びアルカリ電池に使用することができる改良されたコンフォーマルセパレータ、及びそのようなセパレータを利用する方法を提供する。【解決手段】アノードとカソードの界面に配置された改良セパレータを有する電気化学電池。特に、このセパレータは、電極の外形に適合し、不織布で作られた従来型セパレータよりも薄い。このコンフォーマルセパレータは、いくつかのポリマーと無機架橋剤との組合せから形成することができる。架橋剤は、好ましくは、ホウ酸塩又はホウ酸誘導体であり、ポリマーは、好ましくは、ポリビニルアルコールを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器内に配置された、アノード対向表面を呈するカソード材料と、
前記容器内に前記アノード対向表面に隣接して配置されたアノード材料と、
前記カソードの前記アノード対向表面と前記アノードとの間に配置され、該アノード及びカソード間の電気接触を妨げると同時に該アノード及びカソード間の電解質移動を可能にする、ポリマー及び無機架橋剤から形成されたコンフォーマルセパレータと、
を含むことを特徴とする電気化学電池。
【請求項２】
前記架橋剤は、ホウ酸塩誘導体を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３】
前記ホウ酸塩誘導体は、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸亜鉛、及びホウ酸から成る群から選択されることを特徴とする請求項２に記載の電気化学電池。
【請求項４】
前記ホウ酸塩誘導体は、ホウ酸であることを特徴とする請求項３に記載の電気化学電池。
【請求項５】
前記ホウ酸塩誘導体は、前記ポリマー及び電解質と混合されることを特徴とする請求項４に記載の電気化学電池。
【請求項６】
前記ポリマーは、複数のヒドロキシル基を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項７】
前記ポリマーは、ビニルアルコールであることを特徴とする請求項６に記載の電気化学電池。
【請求項８】
前記ポリマーは、ポリビニルアルコールを含むことを特徴とする請求項７に記載の電気化学電池。
【請求項９】
前記ポリビニルアルコールは、１３，０００よりも大きく５００，０００よりも小さい平均分子量を有することを特徴とする請求項８に記載の電気化学電池。
【請求項１０】
円筒形電池及び金属空気電池から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１１】
前記セパレータは、電池内に設置された時に前記アノードに面する内面、及び電池内に設置された時に前記カソードに面する外面のうち、少なくとも一方を有する不織布を更に含み、該内面及び該外面から選択された表面上に配置された架橋ポリマーを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の電池。
【請求項１２】
前記ポリマーは、ジアルコールを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１３】
前記ポリマーは、グアールガム、グアールガム誘導体、ポリビニルアルコールのコポリマー、及び、ヒドロキシル官能基を有するポリマー材料から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１４】
前記ポリマーは、ポリビニルアルコールを含み、前記架橋剤は、ホウ酸塩誘導体を含み、前記ホウ酸塩誘導体と前記ビニルアルコールの間の重量比は、１：１０００と１：１の間であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１５】
前記架橋剤は、ルイス酸であり、前記ポリマーは、ルイス塩基であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項１６】
容器と、
電池内に少なくとも部分的に空隙を形成する表面を有する、前記容器内に配置されたカソード材料と、
前記容器内に配置されて前記空隙を少なくとも部分的に占有するアノード材料と、
前記カソード表面及びアノード間に配置され、該アノード及びカソード間の電気接触を妨げると同時に該アノード及びカソード間の電解質移動を可能にする、ポリマー及びホウ酸塩誘導体架橋剤から形成されたコンフォーマルセパレータと、
を含むことを特徴とする電気化学電池。
【請求項１７】
前記架橋剤は、ホウ酸塩エステルを含むことを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。
【請求項１８】
前記ホウ酸塩エステルは、ホウ酸エステル、環状ホウ酸エステル、及びＤｅＣＯＲＥ  ＢＥ−８５から成る群から選択されることを特徴とする請求項１７に記載の電気化学電池。
【請求項１９】
前記ポリマーは、アルコール、グアールガム、グアールガム誘導体、ポリビニルアルコールのコポリマー、及び、ヒドロキシル官能基を有するポリマー材料から成る群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。
【請求項２０】
前記ポリマーは、ポリビニルアルコールを含むことを特徴とする請求項１９に記載の電気化学電池。
【請求項２１】
円筒形電池及び金属空気電池から成る群から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の電気化学電池。
【請求項２２】
封入容器を形成する、電気化学電池のためのコンフォーマルセパレータを製造する方法であって、
（ａ）アノード対向表面を呈するカソードを封入容器内に設置する段階と、
（ｂ）アノードを、前記アノード対向表面に隣接して配置されるように、前記封入容器内に設置する段階と、
（ｃ）化合物を形成するために無機架橋剤を用いてポリマーを架橋する段階と、
（ｄ）前記アノード及びカソード間の電気接触を防止すると同時に該アノード及びカソード間の電解質移動を可能にする前記化合物を前記アノード対向表面に適用する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記架橋剤は、ホウ酸塩誘導体であり、前記ポリマーは、ビニルアルコールであることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記化合物は、前記カソードを前記封入容器内に設置する前に前記アノード対向表面に適用されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記化合物は、前記カソードを前記封入容器内に設置した後に前記アノード対向表面に適用されることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記ホウ酸塩誘導体は、ホウ酸であり、段階（ｃ）は、前記カソードに塩基溶液を追加する段階を更に含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記カソードは、段階（ｄ）の前に前記塩基溶液で湿潤されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記カソードは、段階（ｄ）の後に前記塩基溶液で湿潤されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
封入容器を形成する、電気化学電池のためのコンフォーマルセパレータを製造する方法であって、
（ａ）アノード対向表面を呈するカソードを封入容器内に設置する段階と、
（ｂ）アノードを、前記アノード対向表面に隣接して配置されるように、前記封入容器内に設置する段階と、
（ｃ）前記カソード及び前記アノード間の界面において、無機架橋剤を該カソードに適用する段階と、
（ｄ）その後、前記アノード及びカソード間の電気接触を防止すると同時に該アノード及びカソード間の電解質移動を可能にする架橋ポリマーを形成するために、ポリマーを該カソードの前記アノード対向表面に適用する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
段階（ｃ）は、段階（ａ）の前に実行されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
段階（ｃ）は、段階（ａ）の後に実行されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記架橋剤は、ホウ酸塩誘導体であることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記ホウ酸塩誘導体は、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸亜鉛、及びホウ酸から成る群から選択されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記架橋剤は、ホウ酸であり、前記カソードに塩基溶液を追加する段階を更に含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記塩基溶液は、段階（ａ）の前に追加されることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記塩基溶液は、段階（ａ）の後に追加されることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
アノード及びカソードを有する電気化学電池のためのコンフォーマルセパレータを製造する方法であって、
（ａ）アノード対向表面を呈するカソードを封入容器内に設置する段階と、
（ｂ）アノードを、前記アノード対向表面に隣接して配置されるように、前記封入容器内に設置する段階と、
（ｃ）前記カソードの前記アノード対向表面上の前記アノードとの界面に、ポリマーと無機架橋剤とを含有する溶液を適用する段階と、
（ｄ）前記アノード及びカソード間の電気接触を防止すると同時に該アノード及びカソード間の電解質移動を可能にするセパレータ化合物を前記アノード対向表面において形成させるために、前記ポリマー及び架橋剤のうちの少なくとも一方を電解質溶液の成分と反応させる段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
段階（ｃ）は、前記溶液を前記アノード対向表面上に吹付ける段階を更に含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記成分は、塩基溶液を含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記成分は、ＫＯＨを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記電解質溶液の前記成分は、段階（ｃ）の前に前記カソードに追加されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記電解質溶液の前記成分は、段階（ｃ）の後に前記カソードに追加されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記カソードは、段階（ｃ）の前に前記電池に設置されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記カソードは、段階（ｃ）の後に前記電池に設置されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
アノード及びカソードを有する電気化学電池のためのコンフォーマルセパレータを製造する方法であって、
（ａ）アノード対向表面を呈するカソードを封入容器内に設置する段階と、
（ｂ）アノードを、前記アノード対向表面に隣接して配置されるように、前記封入容器内に設置する段階と、
（ｃ）前記カソードの前記アノード対向表面に架橋剤を適用する段階と、
（ｄ）段階（ｃ）の後に、架橋ポリマーを形成するために前記カソードの前記アノード対向表面上に架橋可能ポリマーを吹付ける段階と、
（ｅ）前記アノード及びカソード間の電気接触を防止すると同時に該アノード及びカソード間の電解質移動を可能にする化合物を形成するために、段階（ｃ）及び（ｄ）を少なくとも１回繰り返す段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４６】
前記架橋剤は、無機性であることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記架橋剤は、ホウ酸塩誘導体であることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記ポリマーは、アルコールを含むことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
段階（ｃ）は、段階（ａ）の前に起こることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
段階（ｃ）は、段階（ａ）の後に起こることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
電気化学電池のための表面上に架橋ポリマーが配置された不織布セパレータを製造する方法であって、
（ａ）紙の表面に無機架橋剤を適用する段階と、
（ｂ）その後、電池使用中のアノード及びカソード間の電気接触を防止する架橋ポリマーを形成するために、セパレータの表面に架橋可能ポリマーを適用する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５２】
前記不織布の厚みは、０．１３ｍｍよりも大きくないことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
段階（ｂ）の後に処理済みセパレータを電気化学電池に設置する段階と、前記架橋剤の存在下で前記ポリマーを架橋させるために、その後アルカリ性溶液を適用する段階とを更に含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
段階（ａ）の前に前記不織布を電気化学電池に設置する段階と、前記架橋剤の存在下で前記ポリマーを架橋させるために、段階（ｂ）の後にアルカリ性溶液を前記セパレータに適用する段階とを更に含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、本明細書においてその全開示内容が引用により組み込まれる、２００１年５月２４日申請の「電池用のコンフォーマルセパレータ」という名称の米国特許仮出願第６０／２９３，５８８号に対する優先権を主張する。
連邦政府補助研究又は開発に関する説明
米国政府は、本発明の払込済み実施権と、特許所有者に対して契約番号「ＣＥＣＯＭ  ＤＡＡＢ０７−００−Ｃ−Ｄ３０１」の条件によって与えられるような妥当な条件で他人の使用を許可するように要求する限定された状況における権利とを有する。
本発明は、電気化学電池に関し、特に空気亜鉛及びアルカリ電池に使用することができる改良されたコンフォーマルセパレータに関し、更にそのようなセパレータを利用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ電池のような従来型の電気化学電池は、二酸化マンガンＭｎＯ2と、通常グラファイトである炭素質材料との混合物であるカソードを含む。いくつかの円筒形アルカリ電池においては、多くの場合アルカリ性電解質で湿潤されるこのカソード混合物は、環状リング内に圧縮される。次に、カソードは、後で正極集電子として機能する金属容器に入れられる。カルボキシメチルセルロースのようなゲル内に配置された粉末亜鉛を一般的に含むアノードは、同じく金属容器に入れられる。通常は黄銅ピン又は釘である負極集電子は、アノードと電気接触するように置かれる。
【０００３】
電池が作動するためには、電解質がアノードとカソードの間を移動しなければならない。しかし、アノード及びカソードは、電気的に分離されなければならず、そうでなければ、短絡が電池の開回路電圧を急速に低下させることになり、それによって電池を時期尚早に消耗させる。電解質の移動と電気的分離は、従来的にアノードとカソードの境界面に配置された環状セパレータを用いて達成される。セパレータは、一般的に、気体及び電解質のような液体が透過できる十分な多孔度を有する不活性不織布を含むが、カソードがアノードと電気短絡するのを防ぐために実質的に中実である。この布は、通常０．２ｍｍを越える厚みであり、１つよりも多い数の層を要することが多い。従って、セパレータは、そうでなければ活性電池材料が占めることができて電池のより高い性能が得られたであろう電池内の大きな容積を占有する。しかし、より薄い厚みの布は、引裂きに対して弱く、従って電池の製造時の使用には実用的ではない。従って、従来から必要とされてきたものは、電気的な分離を実現すると同時に電解質の移動を可能にする、電池内のできるだけ僅かな容積を占めるセパレータである。
【０００４】
シートセパレータの限界を克服するために用いられる１つの方法は、電荷担体中の材料又は材料の混合物を電気化学電池の電極に直接適用することである。従って、得られた化合物は電極の形状に適合し、そのために環状の布セパレータに付随する空気ポケットが排除され、加えて布セパレータよりも薄い。従って、より多くの内部容積を活性電池材料が占めることができる。
現在、これらの化合物は、セルロース繊維及び溶剤電荷担体に配置された可溶性セルロースポリマーを含むことができる。他の方法は、可塑剤を含むコポリマーを電極要素上に使用し、セパレータフィルムを生成する。更に他の方法は、ポリマー結合剤を含む電荷担体に無機材料の懸濁物を適用する。これらの方法の１つの大きな欠点は、電荷担体の溶剤又は可塑剤であり、それらは、電解質移動を容易にする機能性セパレータフィルムを生成するために除去されるか又は電解質と置換されなければならない。
【０００５】
更に他の公知の方法は、電極に適用されてセパレータを形成するポリマーコーティングを用いる。しかし、これらのポリマーは、高融点を有するポリマー溶液を冷却させるか又はポリマー溶液を乾燥させるような何らかの方法で硬化又は固化されるべきであり、その両方は、時間と資源を消費し、それによって製造工程の非能率性をもたらす。代替的に、重合は、モノマー又はオリゴマーを重合開始剤と結合させ、その混合物を熱、又は、紫外線又はγ放射線のような放射線源に露出することによって達成されるが、これによってもまた非能率性がもたらされる。代替的に、最近では有機架橋剤を用いる架橋が行われており、中実のポリマーフィルムが作り出されている。しかし、ジビニルスルフォンのような有機架橋剤は毒性であり、取扱いが危険である。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許仮出願第６０／２９３，５８８号
【特許文献２】
米国特許第５，８１４，４１９号
【特許文献３】
米国特許第５，０５７，５７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、必要とされるものは、電極に適合し、毒性がなくて製造が能率的であり、従って現在の方法に付随する欠点を回避する電気化学電池のための改良されたセパレータである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、容器と、容器内に配置されたカソード材料と、容器内に配置されたアノード材料と、アノード及びカソード間の電気的分離をもたらすと同時にアノード及びカソード間の電解質の移動を可能にする、ポリマー及び無機架橋剤から形成されてアノード及びカソード間に配置されたコンフォーマルセパレータとを含む電気化学電池を提供する。
本発明の上記及び他の態様は、本発明の範囲を定めることを意図するものではなく、その目的のためには特許請求の範囲が準備されている。以下の説明において、本明細書の一部を形成する添付図面が参照されるが、それは、限定的ではなく、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、本発明の範囲を規定するものではなく、従って、その目的に対しては特許請求の範囲が参照されるべきである。
添付図面が参照される場合、全体を通して同じ参照番号は同じ要素に対応する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に図１を参照すると、正極端子２１、負極端子２３、及びメッキされない円筒形スチール容器２０の形態の正極集電子を有する本発明の好ましい実施形態に従って構成された円筒形電池が示されている。最初に、容器２０は、当業者によって一般的に理解されている通り、容器の負極側の端部が電池を閉じるために曲げられるように、正極端子２１の近位のその端部で閉じられ、負極端子２３の近位のその端部で開放されている。外周側壁の外径が正極集電子２０の内径よりも大きく形成された少なくとも１つ又はそれ以上の円筒形環状カソードリング２４が、正極集電子の中に押し込まれる。好ましくはカーボンであるコーティング２２が、容器２０の半径方向内側の表面に適用され、カソードリング２４と容器の間の電気接触が強化される。カソードリング２４の設置は、コーティング２２との加圧接触を形成する。カソードリング２４は、更に、内部にアノード２６が配置される中央に形成された空隙２８を形成する半径方向内側の壁を有する。
【００１０】
ビード３０が、以下で説明するように、開放端の近くで容器内に巻き込まれて密封ディスク３４を支持する。カソードリング２４の内側に置かれたアノード２６は、ほぼ円筒形に形成され、セパレータ３２の内面に係合する外周面を有し、好ましい実施形態に従ってゲル状亜鉛を含む。
負極集電子３６が貫通して延びる密封ディスク３４は、容器２０の開放端の中に置かれてビード３０に接触する。容器２０の開放端は、密封ディスク３４の上に折り曲げられ、従って、ディスク３４を折り目とビード３０の間に圧縮し、電池を閉じて密封する。中央開口を有する絶縁ワッシャ３８は、負極集電子３６の端部が開口を通って突出するように、電池の折り曲げられた端部の上に置かれる。接触ばね４０は、負極集電子３６の端部に添付される。負極端子キャップ４２及び正極端子キャップ４４は、接触ばね４０及び正極集電子２０にそれぞれ接触するように置かれ、絶縁チューブ４６及びスチールシェル４８は、電池の周囲に置かれ、端子キャップを所定位置に保持するためにそれぞれの端部で折り曲げられる。活性材料が占有できる電池に対する内部容積を増加させるために、スチールシェル４８及び絶縁チューブ４６を削除し得る。そのような構成は、背景技術情報のために本明細書においてその全開示内容が引用により組み込まれる、ラヨバック・コーポレーションに譲渡された米国特許第５，８１４，４１９号に説明されている。スチールシェル４８又は絶縁チューブ４６を有しない「ラヨバック」の主なアルカリ電池は、「ＬＲ２０（サイズＤ）」及び「ＬＲ１４（サイズＣ）」型電池として商業的に特定される。
【００１１】
セパレータ３２は、最も好ましくはイオン透過性セパレータであり、アノード２６とカソードリング２４の内周側壁との間に挿入され、アノードとカソードの間の電気接触を防止すると同時に、アノード２６とカソード２４の間のイオン移動を可能にする。セパレータは、更に、正極側端部の近位かつ缶２０の内面とアノード２６の間で電池を横切って半径方向に延びる。一般的に水酸化カリウム及び水を含むアルカリ性水性電解質は、アノード２６、カソードリング２４、及びセパレータ３２を少なくとも部分的に湿潤させる。従来型電池のセパレータと異なり、セパレータ３２は、有利な態様においては、無機架橋剤と混合されたポリマーから形成されたコンフォーマルセパレータであり、これは、従来型の布よりも占有容積が顕著に小さく、以下でより詳細に説明するように、それによって活性材料に対するより大きい容積を提供する。
【００１２】
図２を参照すると、同じく好ましい実施形態に従って構成されたボタンサイズの金属空気電池５０は、負電極５２（アノード）と、アノード材料５６が配置された電解質を有する対応するアノード缶５４とを含む。好ましい実施形態に従って、アノード材料はベリリウム銅を含むが、当業者は、銅−鋼−ニッケルの三層クラッド、ステンレス鋼、銅、ニッケル、又はそれらの組合せのような任意の公知のアノード材料を使用し得ることを容易に理解するはずである。
【００１３】
アノード缶５４は、上部壁５８、及びその周囲から下方に軸線方向に延びる環状側壁６０を有する。上部壁５８は、内面６２及び外面６４を含む。側壁６０は、内面７２及び外面７４を有し、更に、上部壁５８から離れた縁領域７６、及び、縁領域７６と上部壁５８の間の中間領域７８を含む。上側領域６１は、上部壁５８と中間領域７８の間に配置され、それらに対して斜面を呈する。縁領域７６は、領域７８の半径方向内側及び軸線方向下方に変位された側壁６０の部分として一般的に形成される。遠隔領域７６は、側壁６０の下縁に位置する遠位端８０で終わる。側壁６０は、領域７８を遠位端８０に接合する領域７６において斜めの縁部を呈し、これは、そこから軸線方向上方に延びる。上部壁５８及び側壁６０は、共同でアノード材料５６が収容される開放空洞８２を形成する。
【００１４】
電池は、更に、カソード混合物とカソード缶８８内に収容されて空洞８２を取り囲む集電子とを含むカソードアセンブリ８６によって形成された正電極（カソード８４）を含む。カソード缶８８は、好ましい実施形態においてはニッケルメッキされた鋼を含み、底部９０と底部９０から軸線方向上方に延びる環状側壁９２とを有する。側壁は、使用時に電池を従来型ボタン電池の空洞内へ挿入することを可能にする外側構造体を作製するためにアノード側壁６０の遠隔領域７６を越えて延びる。環状側壁９２は、アノード缶５４の上側領域に嵌合する上側傾斜縁部９３を形成する。側壁９２は、外面１０２とアノード缶５４の外面に面する内面１００とを含む。複数の空気ポート９４が、カソード缶の底部９０を通って延び、これによってカソードアセンブリ８６に隣接する電池内に酸素を運ぶ経路が形成される。空気リザーバ９６は、カソードアセンブリ８６を底部９０及び対応するポート９４から間隔を空ける。多孔性の空気拡散層９８は、空気リザーバ９６を満たし、好ましい実施形態に従って「テフロン（登録商標）」を含む。層９８は、カソードアセンブリ８６から独立するか、又はそれと一体化してもよい。カソード８４は、アノード５２に整合する表面を呈する。
【００１５】
絶縁部材７３は、中間領域４８及び上側領域３１で、側壁６２の内面７０と側壁３０の外面４４との間に配置され、アノード缶２４とカソード缶５８との間の電気的分離がもたらされる。特に、絶縁体７３は、側壁３０及び６２が非常に接近して電気的分離を必要とする遠隔縁領域の軸線方向上方に配置される。絶縁体７３は、プロピレン、セルロース、紙、パラフィン紙のような当業技術で公知の任意の適切な材料を含むことができ、又は、側壁３０の外面４４又は側壁６２の内面７０に適用されてそこにコーティングを形成する「テフロン（登録商標）」を含むことができるであろう。絶縁体７３は厚みが薄く、それによって、従来型ボタン電池と比較して容器５２内の活性材料のための容積の増加を可能にする。
【００１６】
カソード５４及びアノード５２は、遠隔縁領域４６の近位に配置された半径方向に圧縮されたシール（以後「放射状シール」とも称する）によって更に互いに電気的に分離される。このシールは、遠隔領域４６において実質的にアノード缶の側壁に沿って延び、電解質の漏洩を更に防止する。このシールは、好ましい実施形態に従って、ナイロン６、６を含む絶縁ガスケット７４によって達成されるが、代替的に、この絶縁ガスケットは、密封性と共に必要な絶縁性をもたらすことができる他の適切な材料を含むことができるであろう。
【００１７】
セパレータ９１は、アノード５２とアノードに向いたカソードアセンブリ８６の面との間の界面に配置される。セパレータ９１は、それらの間の電解質移動を可能とすると同時に、それらの間の電気的分離をもたらす。セパレータ９１は、従来的には不活性の不織布を含み、これは、ガス及び電解質のような液体に対する透過性を可能にするのに十分な多孔度を有するが、カソードがアノードと電気短絡できないように実質的に中実である。好ましい実施形態によると、セパレータ９１は、無機架橋剤と混合されたポリマーから形成されるコンフォーマルセパレータであり、これは、従来型の布よりも占有容積が顕著に小さく、それによって活性材料のためのより大きい容積を提供する。
【００１８】
好ましい実施形態により、セパレータ３２がいくつかのポリマーと無機架橋剤との特定の組合せによって構成することができることは、予期しない結果として見出された。特に、これらの組合せは、カソード２４の内面上に吹付けるか、又は他の方法で適用してそれをコーティングし、セパレータ３２を形成することができる。セパレータ３２は、従来型の不活性不織布に比較して薄くなった厚みを有し、また、セパレータが電極に適合しているので、電極と布セパレータとの間の界面に存在し得るいかなる空気ポケットも排除される。従って、コンフォーマルセパレータ３２は、従来型の不活性不織布よりも顕著に小さい容積を占有し、それによって電池内部のより多い活性材料の量を可能にして電池の性能を向上させる。それに加えて、好ましい実施形態に従って使用される組合せは、上述のように、電極をコーティングするために従来の方法で使用される熱、光、放射線、又は危険性有機架橋剤の必要性を排除する。
【００１９】
円筒形電池及び金属空気電池のそれぞれのコンフォーマルセパレータ３２及び９１の構成は、下記の方法に従って両方を作製することができる。以下の説明において、本発明は一般的に説明され、その後、それぞれのカソードに対してコンフォーマルセパレータを形成及び利用するいくつかの実施例が説明される。説明全体を通じて、円筒形電池又は金属空気電池のいずれの電池構成要素にも対応する参照番号が使用される。このような参照番号は、明快及び便利にする目的で使用されるものであって、使用される参照数字に対応する電池の種類に対して本発明の何れかの特定の実施形態を限定するために使用されるものではない。従って、別途明記されない限り、以下の実施例と共に以後の説明は、円筒形電池と金属空気電池の両方に適用できる。当業者は、図１に示す円筒形電池をサイズＤ電池と認識するであろうが、以下に限定されるものではないがサイズＡＡＡ、ＡＡ、Ｃ、Ｄ、及び「９ボルト」電池を含む任意の大きさの電池に本発明が適用できることを更に理解すべきである。本発明は、更に、ボタン電池を含むいかなる大きさの金属空気電池にも適用可能である。
【００２０】
本発明に従って、架橋可能なポリマーが無機架橋剤（任意のホウ酸塩誘導体など）と混合された時、急速な反応が続いて起こり、結果として、電気化学電池のアノード及びカソード間の電池的接触を妨げると同時にそれらの間のイオン移動を可能にするのに好適な性質を有する化合物が生成される。特に、ビニルアルコールのような複数のヒドロキシル基、及び、好ましくは完全に加水分解されたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）溶液を含む材料が、ホウ酸塩誘導体を含有する無機溶液と混合される。引き続いて起こる急速な反応は、ホウ酸塩結合ポリビニル鎖を生成する。好ましい実施形態に従って、ホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、又はホウ酸亜鉛のようなホウ酸塩誘導体が、少なくとも部分的に加水分解されたポリビニルアルコールと架橋結合し、この化合物をアルカリ性電解質に不溶性にする。
【００２１】
セパレータは、最初に架橋剤をカソードのアノード対向表面に適用し、その後使用可能なコンフォーマルセパレータを生成する架橋反応を開始させるためにポリマーを適用することにより形成することができる。架橋剤及びポリマーの両方は、カソードの電池内への取付けの前後何れでもカソードに適用することができる。代替的に、架橋剤及びポリマーは、カソードに適用される前に予め混合することができる。この場合にもやはり、予め混合された化合物は、カソードの電池内への取付けの前後何れでもカソードに適用することができる。一実施形態によると、ポリマーは、好ましくは１３，０００よりも大きく５００，０００よりも小さい平均分子量を有するポリビニルアルコールの形態である。別の実施形態によると、ホウ酸塩誘導体とビニルアルコールの重量比は、好ましくは、１：１０００から１：１の間である。
【００２２】
別の実施形態によると、ホウ酸塩誘導体は、ポリビニルアルコールのようなポリマーと結合されたホウ酸である。得られた混合物は、ＫＯＨのような塩基性溶液電解質と更に結合され、架橋反応を引き起こす。ホウ酸の使用は、それがポリマー（例えば、ＰＶＡ）と予め混合されて非反応性混合物を形成し、その後カソードのアノード対向表面上に吹付けることができるので、ある場合には必要であろう。カソードは、架橋反応を直ちに開始させるように電解質で予め湿潤させることができ、又は、混合物がカソードに適用された後に電解質を加えることもできる。更に、混合物をカソードの取付けの前後何れでもカソードに適用することができ、又は、カソードをカソードの取付けの前後何れでも予め湿潤できる。必要に応じて、ポリマーとは別にホウ酸をカソードに適用できることは言うまでもない。この実施形態によるとホウ酸が使用されるが、それをアルコールと架橋結合させる性質は、孤立電子対に対する親和性を有するルイス酸の一般的名称の下に分類される他の化合物に固有である。「ＰＶＡ」は、電子供与体であるので、ホウ酸塩の存在下で結合する。「ＰＶＡ」のような電子供与体はルイス塩基と考えられる。好ましい実施形態に従ってホウ素ベースの化合物及び「ＰＶＡ」が使用されるが、別のルイス酸及びルイス塩基を使用して本発明に付随する利点を有するコンフォーマルセパレータを形成することができ、ホウ酸塩及び「ＰＶＡ」はそれらのそれぞれの属の中に含まれる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態においては、以下に限定されるものではないが、本明細書において引用により組み込まれる米国特許第５，０５７，５７０号に説明されたもの、及びセラニーズ・ケミカルズによって販売されるものを含む様々なポリビニルアルコールポリマーを使用することができる。使用されるポリマーの重量平均分子量は、狭い分布、広い分布、又は二峰性分布としてもよい。グアールガム及びグアールガム誘導体のような他のポリマー、ポリビニルアルコールのコポリマー、又はヒドロキシル官能基を有する他のポリマー材料を、ポリビニルアルコールに代えて使用することができ、ホウ酸塩、ホウ酸及びその誘導体、及び、環状ホウ酸エステルと米国フロリダ州ボカレートン所在のデフォレスト・エンタープライジズによって販売される「ＤｅＣＯＲＥ  ＢＥ−８５」のようなホウ酸塩エステルとを同じく含むホウ酸エステル（「ＩＵＰＡＣ」慣例システムにおいては、トリアルキルオキシボラン及びトリアリルオキシボランとも呼ばれる）を含むホウ酸塩誘導体、又は当業者が認めるような他の無機イオンと架橋することができる。
【００２４】
ホウ酸塩エステルが使用される時、ホウ酸塩は、通常、出発ホウ酸塩エステルの完全な加水分解に続いてエステルの有機部分が架橋ネットワークの一部として組み込まれることなく架橋することになる。従って、架橋の生成物は、ホウ酸塩を含み、ホウ酸塩エステルの有機部分を含まない。他の場合においては、ホウ酸塩エステルがゲルの架橋部分に組み込まれた有機部分を有する時、架橋は、ホウ酸塩部分を通して起こる。従って、両方の場合において、架橋剤は、本発明によって無機性である。
【００２５】
また、「Ｃｅｌｖｏｌ  ＭＨ−８２」、「ＭＭ−８１」、「ＭＭ−５１」、及び「ＭＭ−１４」のような市販の「ＰＶＡ」／ホウ酸誘導製品はまた、特に経済的及び製造上の利点を有する本発明の化学成分として上手く応用することができることも予想される。更に、ホウ酸塩溶液は、代替的に、ＢＣｌ3ような水溶液中でホウ酸塩を形成する化合物、又は他のハロゲン化合物によって置き換えることができる。この得られた反応は、強固なポリマーゲル・マトリックスを生成する。ポリビニルアルコール及びホウ酸塩溶液が電極要素に適用された時、それらが、薄く強固で安定かつ機能的なセパレータフィルム３２を形成することが意外にも見出された。更に、ホウ酸塩及びポリビニルアルコールの両方は、取扱いが安全であり、従来型のセパレータに比較して製作行程が単純化される。得られたフィルム３２は、組立て前に電極に適用するか、又は電池内に予め取付けられた電極上に直接適用し、折り曲げる前に電解質（好ましくは、ＫＯＨ）で予め湿潤することができる。
【００２６】
代替実施形態によると、ホウ酸又は他のホウ素ベースの誘導体、及びポリビニルアルコールは、従来型不織布セパレータの半径方向内面に適用することができる。この布は、この代替実施形態に従って作製されるセパレータに構造を適用し、付加的な電解質を吸収し、従来型不織布セパレータよりも薄く製造され、それによって電池内の活性材料の容積を増大する。この実施形態は、電池のセパレータ構成要素に起因する抵抗を低下させることもできる。
更に別の代替実施形態によると、ジアルコールは、ホウ酸塩誘導体（例えば、ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸亜鉛）と混合されて、コンフォーマルセパレータとしての使用に好適な網状ポリマーを生成する重合反応を生み出す。代替的に、ジアルコールは、材料の適用を容易にするためにホウ酸と混合することができ、この溶液がアルカリ性溶液の電解質に存在する状態になると架橋反応が進行する。
【００２７】
上述の全ての実施形態に従って形成されたセパレータ３２は、高温においても長期に亘って電解質中で安定であることが見出されている。更に、セパレータ３２は、アノード２６とカソード２４の間の高度のイオン伝導率を可能にするのに十分な空隙率を有し、更に、電極間の電気的分離を達成する。当業者はまた、電解質が様々な目的のための様々な種類の添加物を含むことができることを認識するであろう。通常の添加剤は、電池のアノードにおけるガス発生を抑制するために使用される種類と考えられる。電解質に対する他の添加剤は、以下に限定されないであろうが、架橋を促進又は加速する化学薬品と、可溶又は懸濁可能な架橋剤とを含むことができると思われる。
【００２８】
本発明の構成及び製造において、様々なことを考慮に入れることができる。電池にホウ酸塩又はホウ酸を適用するか否かの決定は、電池の種類及びそれを製造する工程の両方に基づく。セパレータの適用の前にカソード内部にアルカリ性電解質を入れることができる工程で製造される電池には、セパレータ用の架橋剤としてホウ酸が使用し易い。電池デザイン又は製造レイアウトが、セパレータの適用の前にカソード内部又はその表面上にアルカリ性材料を加える手段を容易に提供しない電池は、架橋剤としてホウ酸塩を使用する候補である。
【００２９】
本発明の最良の使用法に関する他の考慮には、何時どのようにしてカソードにセパレータを適用するかの決定が含まれる。空気亜鉛電池での多くの場合のように、カソードが実質的に電池の外側に組立てられている場合は、カソードへのセパレータの適用は、電池缶内へのカソードの挿入に先立って行うことができる。もちろん、これは電池缶内へのカソードの挿入後でのセパレータの適用を排除しないが、製造及び工程レイアウトにより、コスト及び品質における大きな利点を提供することができる。円筒形電池製造での多くの場合のように、カソードを電池缶内に正確に取付けるためにカソードの大きな処理を伴う場合は、セパレータは、カソードが電池缶内に挿入された後に適用するのが最も良い。一般的な円筒形設計はまた、セパレータがアノード材料をカソード缶壁から隔離するように機能する電池缶２０の底部の領域上へのセパレータの適用によって利益を受ける。
【００３０】
本発明の様々な実施形態を上述のように説明したが、本発明に従って電池内に構成されたコンフォーマルセパレータの製造及び取付けのいくつかの実施例を更に説明する。ここでもまた、下記の実施例は、特に断らない限り、円筒形電池及び金属空気電池の両方に適用される。更に、いくつかの化合物の重量パーセントは所定の実施例に従って指定されるが、「ＰＶＡ」は、好ましくは、０．５％と１２％の間の任意の濃度を有し、ホウ酸塩は、好ましくは、５％までの濃度を有すると共に「ＰＶＡ」溶液に可溶であり続ける。
【実施例１】
【００３１】
本発明の一実施形態に従ってセパレータ３２を形成するために、米国テキサス州ダラス所在のセラニーズ・ケミカルズ・インコーポレーテッドから市販されている「ＣＥＬｖｏｌ  ３５０」のようなポリビニルアルコールの十分な量が水に溶解され、加熱されて２％溶液が生成された後に室温まで冷却される。カソードが電池内に取付けられる時にカソード及びアノード間の界面を最終的に形成することになる位置で、５％ホウ酸ナトリウム溶液が、吹付けられるか又は他の方法でカソードの表面上に適用される。ポリビニルアルコール溶液は、次に、例えばアクリル棒を用いてカソードの内面上に薄く塗られ、ホウ酸ナトリウムによって架橋される。次に、カソードは、電池に挿入される前に乾燥させられる。代替的に、ホウ酸ナトリウム及びポリビニルアルコール溶液は、電池に挿入された後のカソードに適用することができる。
【００３２】
セパレータ３２の１つの大きな機能は、アノード２６とカソード２４の間の電気的分離を維持することである。さもなければ、その結果生じる短絡が電池の開回路電圧（ＯＣＶ）を急速に低下させ、それによって電池を時期尚早に消耗させることになる。本発明の実施形態に従って構成されたコンフォーマルセパレータを有する１３Ａサイズの空気亜鉛電池について「ＯＣＶ」値が測定され、不織布で作製された従来型セパレータを有する電池の対照群に対して比較された。表１に示す結果は、コンフォーマルセパレータを含む電池の電極の室温及び高温における信頼性及び耐久性のある電気的分離を示している。事実、高温の下では、コンフォーマルセパレータを有する電池は、消耗した電池数の減少によって明らかなように、対照群よりも優れた電気的分離を実現する。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
電池の放電容量は、電池の性能の更に別の指示をもたらす。特に、セパレータ３２が電極２４と電極２６の間の十分なイオン伝導をもたらさない時には、電池は、放電中に時期尚早に消耗することになる。放電容量は、従来型の布セパレータを有する１３Ａサイズ空気亜鉛電池、及び、好ましい実施形態に従ったコンフォーマルセパレータを有する１３Ａサイズ空気亜鉛電池に対して３ｍＡで判断された。表２に示す結果は、コンフォーマルセパレータ３２を有する電池に付随する高い放電容量が、電極２４及び２６間の十分なイオン伝導をもたらすことを示している。従って、この電気化学電池は、使用中に完全に放電することができる。
【００３５】
【表２】
2004527887.tif 000003
【００３６】
代替的に、ポリマー（ＰＶＡ）及び架橋剤は、代替方法でカソードのアノード対向表面に吹付けることができる。特に、この化学剤は、「ＥＰＣ−１５」システムコントローラによって制御されて「ＣＰ」高圧ポンプで加圧された「ノードソンＭＥＧ（登録商標）」電動スプレーガンのような小型スプレーガンを用いて吹付けることができ、これらは、全て米国オハイオ州アンハースト所在のノードソン・コーポレーションから入手可能である。このシステムは、０．００１ｇ／ｃｍ2の割合で吹付けることができることが見出されており、それによって適用された化合物の非常に細かな層が生成される。すなわち、架橋剤及びポリマーは、電池の電極間の電気的分離を確保するのに最小限必要な厚みであると判断されるまで反復して吹付けることができる。従って、この反復的吹付けは、厚みが最小であると同時に電池内容物を最大にするために電池の安定性を維持し、更に電池の寿命と性能を適用するコンフォーマルセパレータの生成を可能にする。
【実施例２】
【００３７】
実施例１に関連して上述されたポリビニルアルコール及びホウ酸ナトリウム溶液は、容器２０に挿入された「ラヨバック」Ｄサイズアルカリ電池のカソードの内面に適用され、好ましい実施形態によるセパレータ３２がもたらされた。この電池の性能は、１．４Ａでの１．１Ｖに対する放電容量に関して、従来型の布セパレータを有する同じサイズの対照群アルカリ電池と比較された。電池についての比エネルギもまた判断された。表３を参照すれば、コンフォーマルセパレータ３２を含む「ＬＲ２０」電池は、布セパレータを有する電池よりも大きい容量をもたらす。更に、コンフォーマルセパレータ３２を有する「ＬＲ２０」電池の放電電圧の値はより高く、従って、それらの電池のより大きい比エネルギに寄与している。
【００３８】
【表３】
2004527887.tif 000004
【実施例３】
【００３９】
容器内に挿入された「ラヨバック」サイズＡＡアルカリ電池のカソードが、０．８ｇの３７％ＫＯＨ電解質溶液で予め湿潤された。二峰性の重量平均分子量分布の水和ポリビニルアルコール及びホウ酸（ＰＢＡ／ＢＡ）から成る「Ｃｅｌｖｏｌ  ＭＨ−８１」の２重量％溶液は、製造業者の推奨手順に従って製造された。特に、「ＭＨ−８１」は、固体の形態で購入され、その後水と混合されて溶液が製造された。ホウ酸は、架橋反応を促進するのにＫＯＨを必要とするので、「ＰＶＡ／ＢＡ」混合物は、電池のカソードに比較的容易に適用される。特に、容器内に予め挿入され、従ってＫＯＨで予め湿潤された「ラヨバック」サイズＡＡアルカリ電池のカソードの内面に「ＰＶＡ／ＢＡ」溶液が適用され、本発明によるコンフォーマルセパレータがもたらされた。この電池の性能は、従来型の布セパレータを有するアルカリ電池の対照群と比較された。コンフォーマルセパレータを有する電池の放電電圧はより高く、それによってそれらの電池のより大きい比エネルギに寄与した。
【実施例４】
【００４０】
容器内に挿入された「ラヨバック  ＬＲ０６」アルカリ電池のカソードが、０．８ｇの３７％ＫＯＨ電解質溶液で予め湿潤された。「Ｃｅｌｖｏｌ  ＭＨ−８２」ポリビニルアルコール／ホウ酸（ＰＢＡ／ＢＡ）の２重量％溶液は、製造業者の推奨手順に従って製造された。空気式スプレーシステムを用いて、容器内に予め挿入されて電解質で湿潤された「ラヨバック  ＬＲ０６」アルカリ電池のカソードの内面上に「ＰＢＡ／ＢＡ」溶液が吹付けられた。ホウ酸とＫＯＨの反応は、好ましい実施形態によるコンフォーマルセパレータを形成するための「ＰＶＡ」の架橋を開始させた。
【実施例５】
【００４１】
本発明の別の実施形態によるセパレータは、従来型の不織布の表面にコンフォーマルセパレータの薄い層を適用することによって生成されるが、本方法に従って使用される布は、従来型のセパレータの形成に好適な布の厚み（概略０．２６ｍｍ）よりも薄い厚み（概略０．１３ｍｍ）を有する。当業者は、セパレータを電気化学電池に適するようにするのに妥当な電気的分離をもたらすために、従来型セパレータは不織布の少なくとも４つのラッピングを含むことを理解している。本実施形態は、本発明のコンフォーマルセパレータを用いて処理された不織布の二重ラッピング（又は、任意選択的に単一ラッピング）を使用する。
【００４２】
特に、０.０１２ｇのポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及びホウ酸（ＢＡ）を含む溶液が、１１．７ｃｍ2の表面積を有する従来型の不織布セパレータの二重ラッピングの内面に適用された。この布は、先に容器内に挿入されて電解質で予め湿潤されていた「ラヨバック」サイズＡＡアルカリ電池のカソード内に予め挿入されていた。
この溶液は、「ＥＰＣ−１５」システムコントローラによって制御されて「ＣＰ」高圧ポンプで加圧された「ノードソンＭＥＧ（登録商標）」電動スプレーガンのような小型スプレーガンを用いて吹付けることにより適用され、これらは、全て米国オハイオ州アンハースト所在のノードソン・コーポレーションから入手可能である。スプレーガンのヘッドの位置、缶／カソード／布アセンブリの位置、缶／カソードアセンブリの回転、吹付けパターン、及び吹付け持続時間が正確に適応された時にのみ適用が成功した。布による内部壁の均一な被覆を得るための有用な領域は、最低０．０１秒の１秒よりも少ない適用時間を用い、０．０２−２、０．０４−２、及び０．０６−２のノズルヘッドとして商品として特定されるノズルヘッドを通じて、６００ｐｓｉｇよりも小さい流体圧力のポンピングによって得られた。６００ｒｐｍ及びそれ以上の缶の回転もまた、基材上への溶液の均等なコーティングを維持するのに有用であった。架橋生成物の厚みが０．１３ｍｍ（２つの追加不織布ラッピングの厚み）よりも小さいので、得られたコンフォーマルセパレータは、不織布の安定性を有すると同時に、不織布セパレータを用いてこれまでに達成されたものに比べて電池内に活性材料のための追加の空間を作り出し、それによって電池の寿命及び性能を向上させる。
【００４３】
本発明は、「ＰＶＡ」を直接不織布に適用して有用なセパレータを生成し得ることを認識している。しかし、本実施形態は、「ＰＶＡ」に無機架橋剤を有利に添加し、セパレータを「ＰＶＡ」及び不織布のみの組合せに比べてより強固にして物理的により安定にする。「ＰＶＡ」の架橋と共に本実施形態のより大きな分子量が、このセパレータのより高い強度及び安定性を生み出すと考えられている。
ここで図３を参照すると、これらのサイズＡＡ電池の性能が従来型の布セパレータを有するアルカリ電池の対照群と比較されている。特に、電池は、１アンペアの定電流で放電されたものである。本発明の本実施形態のセパレータを含むこれらの電池は、より高い電圧で放電し、１．１、１．０、及び０．９ボルトのカットオフに達するまでにより長い期間持続した。更に、コンフォーマルセパレータを有するサイズＡＡ電池の放電電圧はより高く、それによってこれらの電池のより大きい比エネルギに寄与した。
【００４４】
代替的に、電池内へのセパレータの挿入の前に「ＰＶＡ」及びホウ酸を布に適用することができることを理解すべきであり、その場合、架橋が電解質の添加で起こることになる点が認められる。この実施形態に従って構成された２つのサイズ「ＡＡ」電池の性能は、アルカリ電池の対照群と比較して試験された。電池内へのセパレータの挿入の前に「ＰＶＡ」及びホウ酸を布に適用することによって構成されたセパレータを含むこれらの電池は、対照群よりも僅かに高い電圧で放電し、相当に長い期間持続した。更に、このコンフォーマルセパレータを有するサイズＡＡ電池の放電電圧はより高かった。
【００４５】
代替実施形態
コンフォーマルセパレータ３２を組み込んだ空気亜鉛及びアルカリ電池を製造するための実施例が好ましい実施形態に従って説明されたが、本発明は、セパレータ３２の機能性を向上させることができる代替実施形態を含む。特に、カリウム及びカルシウムのような無機イオンは、カラギーナン及び他の有機ポリマーと架橋することができ、本発明に従ったコンフォーマルセパレータをもたらす。カラギーナンは有機性であるにもかかわらず、この製造法は、無機架橋剤を使用することにより従来の方法を改良し、それによって製造工程の危険性を低減し、最終的により効率的にする。
【００４６】
それに加えて、構造的及び／又は吸収性の充填材料をコンフォーマルセパレータに加えることができ、付加的な構造をもたらし、追加の電解質を吸収し、それによって電池の導電性を増大する。吸収性充填材料の例には、構造的材料でもあるポリビニルアルコール繊維及びセルロース繊維が含まれ、一方、厳密に構造的な充填材料は、ポリマー繊維又は他の無機粉末を含むことができる。酸化亜鉛及び硫酸バリウムのような空隙形成材料をセパレータに更に加えてもよい。空隙形成材料は、電解質と反応して、電池の導電性を増大しながらアノード及びカソード間の電気的分離を維持するのに十分に小さいセパレータ内の開口を生成する。
【００４７】
セパレータ３２のイオン伝導度は、ポリビニルアルコール及びホウ酸塩を、水酸化物イオンのようなアニオン伝導材料及び例えばカチオン性四級アンモニウムイオンポリマーであるアニオン交換ポリマーと結合させることにより更に増大させることができる。これらのアニオン伝導性材料は、固形樹脂、可溶性ポリマー、及び、コンフォーマルセパレータを構成する材料と共重合したポリマーの形態をとることができる。伝導性は、カチオン性化合物を電極、コンフォーマルセパレータ材料、又は電解質に加えることによって更に高めることができる。例えば、四級アンモニウムイオンは、ポリビニルアルコールやホウ酸と混合されるか、又はバッテリの電極に直接適用されるか、又は電解質に加えることができる。伝導性は、ラポナイト、ベントナイト又はスメクタイト粘土、又は粘土様材料のような無機材料の追加によって更に増大させることができる。最後に、伝導度は、金属水酸化物塩を含む無機又は有機塩をセパレータ内に加えることによって更に向上させることができる。この塩が可溶性の場合は、付加的な空隙がセパレータ内に形成され、上述のように電解質の流れを増大させることになる。塩が不溶性の場合は、当業者が認めるように、セパレータの伝導度は増大されることになる。水酸化物塩は、ポリビニルアルコールやホウ酸塩架橋溶液と混合されるか、又は電極に直接に適用されるか、又は電解質に加えることができる。
【００４８】
本発明は、最も実用的で好ましい実施形態として現在考えられているものに関連して説明された。しかし、本発明は、例示的に示されたものであり、開示された実施形態に限定されるものではない。従って、本発明が、特許請求の範囲に示すような本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変更及び代替的構成を包含するものであることを当業者は理解するであろう。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、電気化学電池の電極間の電気接触を防止すると同時に、それらの間の電解質移動を可能にするコンフォーマルセパレータを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】好ましい実施形態に従って構成されたセパレータを有する円筒形電気化学電池の断面側面図である。
【図２】好ましい実施形態に従って構成されたセパレータを有する金属空気電池の断面側面図である。
【図３】好ましい実施形態に従って構成されたセパレータを有するサイズ「ＡＡ」電池の放電プロフィールを、不織布で作られたセパレータを有する従来型電池と比較して示す図である。
【図４】代替実施形態に従って従来型不織布に適用されたコンフォーマルセパレータを有するサイズ「ＡＡ」電池の放電プロフィールを、不織布のみで作られたセパレータを有する従来型電池と比較して示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
２０  円筒形スチール容器、正極集電子
２１  正極端子
２２  コーティング
２３  負極端子
２４  円筒形環状カソードリング
２６  アノード
２８  空隙
３０  ビード
３２  セパレータ
３４  密封ディスク
３６  負極集電子
【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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