(57)【要約】本発明の非気密封止型の電気化学的な電力源は、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、電池の外側環境と流体的に連通している膜とを備えている。前記第２の電極は前記セパレータと前記膜との間にある。前記膜は、その第２の部分とは異なる密度、気孔率、質量輸送抵抗、厚み若しくはガス透過性等の特性を有した第１の部分を備える。電気化学的電池カートリッジを設計する方法もまた開示されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
非気密封止型の電気化学的な電力源であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、
電池の外側環境と流体的に連通している膜と、を備え、
前記第２の電極が前記セパレータと前記膜との間にあり、
前記膜が、その第２部分とは異なる密度を有した第１の部分を備えている電力源。
【請求項２】
空気取入開口を備えている容器をさらに備え、
前記第１の部分が、前記空気取入開口に隣接するとともに前記第２の部分よりも高い密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の電力源。
【請求項３】
前記第２の部分は、前記第１の部分が前記空気取入開口から離れているよりも、さらに遠く前記空気取入開口から離れていることを特徴とする請求項２に記載の電力源。
【請求項４】
前記第１の部分が前記空気取入開口に位置合わせされていることを特徴とする請求項２に記載の電力源。
【請求項５】
前記第１部分が前記空気取入開口よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求項２に記載の電力源。
【請求項６】
前記膜がガス透過性であることを特徴とする請求項１に記載の電力源。
【請求項７】
前記第１および第２の部分が１つの要素として一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力源。
【請求項８】
前記膜がポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項１に記載の電力源。
【請求項９】
前記電力源が金属−空気セルからなることを特徴とする請求項１に記載の電力源。
【請求項１０】
複数の空気取入開口を有した容器をさらに備え、
前記膜が、前記空気取入開口を通って流れるガスに対する一様な質量輸送抵抗を有していることを特徴とする請求項１に記載の電力源。
【請求項１１】
非気密封止型の電気化学的な電力源であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、
電池の外側環境と流体的に連通している膜と、を備え、
前記第２の電極が前記セパレータと前記膜との間にあり、
前記膜が、その第２部分とは異なる気孔率を有した第１の部分を備えている電力源。
【請求項１２】
空気取入開口有した容器をさらに備え、
前記第１の部分が、前記空気取入開口に隣接するとともに前記第２の部分よりも低い気孔率を有していることを特徴とする請求項１１に記載の電力源。
【請求項１３】
前記第２の部分は、前記第１の部分が前記空気取入開口から離れているよりも、さらに遠く前記空気取入開口から離れていることを特徴とする請求項１２に記載の電力源。
【請求項１４】
前記第１の部分が前記空気取入開口に位置合わせされていることを特徴とする請求項１２に記載の電力源。
【請求項１５】
前記第１の部分が前記空気取入開口よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求項１２に記載の電力源。
【請求項１６】
前記膜がガス透過性であることを特徴とする請求項１１に記載の電力源。
【請求項１７】
前記第１および第２の部分が１つの要素として一体的に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電力源。
【請求項１８】
前記膜がポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項１１に記載の電力源。
【請求項１９】
前記電力源が金属−空気セルからなることを特徴とする請求項１１に記載の電力源。
【請求項２０】
複数の空気取入開口を有した容器をさらに備え、
前記膜が、前記空気取入開口を通って流れるガスに対する一様な質量輸送抵抗を有していることを特徴とする請求項１１に記載の電力源。
【請求項２１】
非気密封止型の電気化学的な電力源であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、
電池の外側環境と流体的に連通している材料と、を備え、
前記第２の電極が前記セパレータと前記材料との間にあり、
前記材料の第１の部分のガス透過性が、前記材料の第２部分のガス透過性とは異なっている電力源。
【請求項２２】
空気取入開口を備えている容器をさらに備え、
前記第１の部分は、前記空気取入開口に隣接するとともに前記第２の部分よりも低いガス透過性を有していることを特徴とする請求項２１に記載の電力源。
【請求項２３】
前記第２の部分は、前記第１の部分が前記空気取入開口から離れているよりも、さらに遠く前記空気取入開口から離れていることを特徴とする請求項２２に記載の電力源。
【請求項２４】
前記第１部分が前記空気取入開口に位置合わせされていることを特徴とする請求項２２に記載の電力源。
【請求項２５】
前記第１部分が前記空気取入開口よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求項２２に記載の電力源。
【請求項２６】
前記材料がガス透過性であることを特徴とする請求項２１に記載の電力源。
【請求項２７】
前記第１および第２の部分が１つの要素として一体的に形成されていることを特徴とする請求項２１に記載の電力源。
【請求項２８】
前記材料がポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項２１に記載の電力源。
【請求項２９】
前記電力源が金属−空気セルからなることを特徴とする請求項２１に記載の電力源。
【請求項３０】
複数の空気取入開口を有した容器をさらに備え、
前記膜が、前記空気取入開口を通って流れるガスに対する一様な質量輸送抵抗を有していることを特徴とする請求項２１に記載の電力源。
【請求項３１】
非気密封止型の電気化学的な電力源であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、
前記電池の外側環境と流体的に連通している膜と、を備え、
前記第２の電極が前記セパレータと前記膜との間にあり、
前記膜が、その第２の部分とは異なる質量輸送抵抗を有した第１の部分を有していることを特徴とする電力源。
【請求項３２】
空気取入開口を有した容器をさらに備え、
前記第１の部分は、前記空気取入開口に隣接するとともに、前記第２部分よりも高い質量輸送抵抗を有していることを特徴とする請求項３１に記載の電力源。
【請求項３３】
前記第２の部分は、前記第１の部分が前記空気取入開口から離れているよりも、さらに遠く前記空気取入開口から離れていることを特徴とする請求項３２に記載の電力源。
【請求項３４】
前記第１の部分が前記空気取入開口に位置合わせされていることを特徴とする請求項３２に記載の電力源。
【請求項３５】
前記第１の部分が前記空気取入開口よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求項３２に記載の電力源。
【請求項３６】
前記膜がガス透過性であることを特徴とする請求項３１に記載の電力源。
【請求項３７】
前記第１および第２の部分が１つの要素として一体的に形成されていることを特徴とする請求項３１に記載の電力源。
【請求項３８】
前記膜がポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項３１に記載の電力源。
【請求項３９】
前記電力源が金属−空気セルからなることを特徴とする請求項３１に記載の電力源。
【請求項４０】
複数の空気取入開口を有した容器をさらに備え、
前記膜が、前記空気取入開口を介して流れるガスに対して一様な質量輸送抵抗を有していることを特徴とする請求項３１に記載の電力源。
【請求項４１】
非気密封止型の電気化学的な電力源であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、を備え、
前記セパレータが、その第２部分とは異なる質量輸送抵抗を有した第１の部分を備えている電力源。
【請求項４２】
空気取入開口を有した容器をさらに備え、
かつ前記第１の部分が、前記空気取入開口に隣接するとともに、前記第２部分よりも高い質量輸送抵抗を有していることを特徴とする請求項４１に記載の電力源。
【請求項４３】
前記第２の部分が、前記第１の部分が前記空気取入開口から離れているよりも、さらに遠く前記空気取入開口から離れていることを特徴とする請求項４２に記載の電力源。
【請求項４４】
前記第１の部分が前記空気取入開口に位置合わせされていることを特徴とする請求項４２に記載の電力源。
【請求項４５】
前記第１の部分が前記空気取入開口よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求項４２に記載の電力源。
【請求項４６】
前記第１および第２の部分が１つの要素として一体的に形成されていることを特徴とする請求項４１に記載の電力源。
【請求項４７】
前記電力源が金属−空気セルからなることを特徴とする請求項４１に記載の電力源。
【請求項４８】
その内部へのガスの流れを選択的に制御するように構成された、複数の空気取入開口を有したハウジングと、
前記空気取入開口に隣接する頂部表面および側面を有した、前記ハウジング内の電気化学電セル、を備え、
前記開口が前記電池の側面の上方に配置され、
かつ前記ハウジングが、前記セルの頂部表面の上方には開口を有していないことを特徴とする電池カートリッジ。
【請求項４９】
前記カートリッジ内において隣接するとともに、それらの間に隙間を画成する２つの電気化学的セルを備え、
前記開口が、前記セルの側面および前記隙間の上方に配置されていることを特徴とする請求項４８に記載したカートリッジ。
【請求項５０】
前記カートリッジ内において隣接するとともに、それらの間に隙間を画成する２つの電気化学的セルを備え、
前記開口が、前記電池の前記側面の上方若しくは前記隙間の上方のみに配置されていることを特徴とする請求項４８に記載したカートリッジ。
【請求項５１】
前記開口は、前記セルに対してその中心がずらされていることを特徴とする請求項４８に記載したカートリッジ。
【請求項５２】
前記開口は、前記セルの側面に対してその中心が合わせされていることを特徴とする請求項４８に記載のカートリッジ。
【請求項５３】
内側表面および外側表面を有するとともに空洞および２つの開放端を画成するカソードと、
前記カソードの内側表面に隣接して配設されたセパレータと、
前記セパレータに隣接して前記空洞内に配設されたアノードと、
前記カソードの外側表面に隣接して配設されるとともに前記電池の外側表面を画成する、空気透過性で液体不透過性のバリヤー層と、
前記カソードの開放端に接続された２つの端部材と、
前記２つの端部材を通って延びているアノード集電器と、
を備えることを特徴とする電池。
【請求項５４】
前記カソードが集電器を備えるとともに、
前記電池が、前記集電器に接続された導電性のタブをさらに備えることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項５５】
前記集電器が互いに接続されて継目を形成するとともに、
前記導電性のタブが前記継目に沿って前記集電器に接続されていることを特徴とする請求項５４に記載の電池。
【請求項５６】
前記導電性のタブ上に配設されたシール材をさらに備えることを特徴とする請求項５５に記載の電池。
【請求項５７】
前記バリヤー層がポリテトラフルオロエチレンからなることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項５８】
前記端部材は、前記カソードに嵌合するとともに前記電池の縦軸に沿って前記カソードと一直線に並ぶように構成されていることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項５９】
前記アノード集電器に接続された導電性のタブをさらに備えることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６０】
前記端部材および前記カソードがシール材によって接続されていることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６１】
前記端部材が電気的に絶縁性の材料からなることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６２】
前記カソードが実質的に矩形の断面を有していることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６３】
前記カソードが実質的に正方形の断面を有していることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６４】
前記カソードが実質的に三角形の断面を有していることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６５】
前記カソードが実質的に円形の断面を有していることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６６】
前記電池は、前記ハウジングに出入りする気流を管理するように構成された前記ハウジングの内側にフィットするように寸法決めされていることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【請求項６７】
前記電池が金属−空気電池であることを特徴とする請求項５３に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池および電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は一般的に用いられている電気的エネルギー源である。電池は、典型的にアノードと呼ばれる陰極と、典型的にカソードと呼ばれる陽極とを備えている。アノードは酸化させることができる活物質を含み、カソードは還元させることができる活物質を含むか若しくは消費する。アノード活物質は、カソード活物質を還元することができる。アノード材料およびカソード材料の直接的な反応を防止するために、アノードおよびカソードはセパレータによって互いに電気的に分離されている。
【０００３】
装置内における電気的なエネルギー源として電池を用いるときには、アノードおよびカソードを電気的に接触させて、電子が装置を通って流れるようにするとともに、電力を供給するための酸化反応および還元反応が生じるようにする。アノードおよびカソードに接触する電解質、例えば水酸化カリウムは、セパレータを通過して電極間を流れることにより放電の間における電池全体にわたる電荷バランスを維持するイオンを含んでいる。
【０００４】
金属−空気電気化学電池においては、カソードにおいて酸素が還元されるとともにアノードにおいて金属が酸化される。酸素は、電池容器の１つ若しくは複数の空気孔を介して外側の大気から電池内のカソードへと供給される。
【０００５】
電池の寿命を長くするためには、カソードが、使用中には空気の流れにさらされるが使用しないときには気流から分離されることが望ましい。使用中には、例えば活物質の一様な放電および／または比較的に高レベルの放電電圧特性をもたらすために、カソードに対して一様かつ充分な空気を供給することが望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は電池および電池システムに関する。
【０００７】
一つの態様において、本発明は、非気密封止型の電気化学的な電力源であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、電池の外側環境と流体的に連通している膜とを備え、前記第２の電極が前記セパレータと前記膜との間にあり、かつ前記膜がその第２の部分とは異なる密度を有している第１の部分を含んでいることを特徴とする。
【０００８】
他の態様において、本発明は、非気密封止型の電気化学的な電力源であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、電池の外側環境と流体的に連通している膜とを備え、前記第２の電極が前記セパレータと前記膜との間にあり、かつ前記膜がその第２部分とは異なる気孔率を有した第１の部分を含んでいることを特徴とする。
【０００９】
他の態様において、本発明は、非気密封止型の電気化学的な電力源であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、電池の外側環境と流体的に連通している材料とを備え、前記第２の電極が前記セパレータと前記材料との間にあり、かつ前記材料の第１の部分におけるガス透過性が前記材料の第２の部分におけるガス透過性と異なっていることを特徴とする。
【００１０】
他の態様において、本発明は、非気密封止型の電気化学的な電力源であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、電池の外側環境と流体的に連通している膜とを備え、前記第２の電極が前記セパレータと前記膜との間にあり、前記膜はその第２の部分とは異なる質量輸送抵抗を有した第１の部分を有していることを特徴とする。
【００１１】
他の態様において、本発明は、非気密封止型の電気化学的な電力源であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間のセパレータと、前記セパレータは、その第２部分とは異なる質量輸送抵抗を有した第１の部分を備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の各態様の実施形態には、以下の特徴の１つ若しくは複数を含めることができる。電力源が空気取入開口を有した容器を更に備え、前記第１の部分が前記空気取入開口に隣接するとともに前記第２の部分よりも高い密度を有している。前記第２の部分が、前記第１の部分におけるよりも空気取入開口から離間している。前記第１の部分が、前記空気取入開口に位置合わせされる。前記第１の部分が、前記空気取入開口よりも大きな面積を有している。前記膜が、ガス透過性である。前記第１および第２の部分が、１つの要素として一体的に形成される。膜がポリテトラフルオロエチレンを含む。前記電力源が金属−空気セルである。前記電力源が複数の空気取入開口を有した容器を更に備え、前記膜が前記空気取入開口を通って流れるガスに対する一様な質量輸送抵抗を有している。
【００１３】
他の態様において、本発明は、電池カートリッジであって、ハウジング内へのガスの流れを選択的に制御するように構成された複数の空気取入開口を有したハウジングと、前記ハウジング内における電気化学セルとを備え、前記セルは、前記空気取入開口および側面に隣接した頂部表面を有しており、前記開口は前記電池の側面の上方に配置され、かつ前記ハウジングは前記セルの頂部表面の上方には開口を有していないことを特徴とする。
【００１４】
実施形態には、以下の特徴の１つ若しくは複数を含めることができる。前記カートリッジが、このカートリッジ内において間隔をおいて隣接する二つの電気化学セルを備えており、前記開口は前記セルの側面および前記隙間の上方にのみ配置される。前記カートリッジは、このカートリッジ内において間隔をおいて隣接する二つの電気化学セルを備えており、前記開口は、前記電池の側面若しくは前記隙間の上方にのみ配置される。前記開口は、前記セルに対して中心がずらされている。前記開口は、前記セルの側面に対して中心が合わされている。
【００１５】
実施形態は、以下の特徴の１つ若しくは複数の利点を有することができる。電池および／または電池システムは、比較的長い活性貯蔵寿命を有することができる。電池および／または電池システムは、活物質を比較的高度に利用することができる。電池および／または電池システムは、電流供給若しくは電流密度において高い均一性を持つことができる。その結果、活物質の比較的一様な充填および／または改善された利用を達成することができる。電池および／または電池システムは、高電流若しくは高電流率の用途若しくは装置に有用である。
【００１６】
一つの態様において、本発明は、金属−空気電池のような電池であって、内側表面および外側表面を有して空洞を画成するカソードと、前記カソードの内側表面に隣接して配設されたセパレータと、前記セパレータに隣接して前記空洞内に配設されたアノードと、前記カソードの外側表面に隣接して配設されるとともにこの電池の外側表面を画成する空気透過性で液体不透過性のバリヤ層と、を備えることを特徴とする。したがって、カソードは電池のための容器若しくはケースとしての役割を果たす。
【００１７】
カソードは、２つの開放端を画成することができる。２つの端部材はカソードの開放端に接続することができ、かつアノード集電器はこれらの２つの端部材を通って延びることができる。
【００１８】
本発明の実施形態は、以下の特徴の１つ若しくは複数を有することができる。カソードが集電器を有し、かつ、前記電池が集電器に接続された導電性のタブを更に有する。前記集電器が互いに接続されて継目を形成し、かつ前記導電性のタブが前記継目に沿って集電器に接続される。前記電池が、前記導電性のタブの上方に配設されたシール材を更に備える。バリヤー層がポリテトラフルオロエチレンを含む。前記端部材が、カソードに嵌合してこの電池の縦軸に沿ってカソードと位置合わせされるように構成される。前記電池が、アノード集電器に接続された導電性のタブをさらに備える。前記端部材および前記カソードがシール材を介して接続される。前記端部材が、電気的に絶縁性の材料、例えばアクリロニトリルブタジエンスチレンから成る。セパレータがカソードに接着される。バリヤー層がカソードにラミネートされる。
【００１９】
カソードは、実質的に矩形、実質的に正方形、実質的に三角形、若しくは実質的に円形の断面形状を有することができる。
【００２０】
前記電池は、そこに出入りする空気の流れを管理するように構成されたハウジング内にフィットするように寸法付けることができる。
【００２１】
他の態様においては、本発明は、電池の製造方法をその特徴としている。方法は、電気的に絶縁性の第１のレイヤをカソードに隣接して配置することと、空気透過性でかつ液体不透過性の第２のレイヤを前記カソードに隣接して配置することと、カソードを形成することとを備え、前記第２のレイヤが前記電池の外側表面を画成することを特徴とする。方法はまた、前記形成されたカソードを２つの端部材に嵌合させることと、前記端部材をシール材を用いて前記カソードに接続することとを備え、前記形成されたカソードを前記２つの端部材に接続することが、前記アノード集電器を前記端部材を通して配置することを含むことを特徴とする。
【００２２】
実施形態は、以下の特徴のうち１つ若しくは複数を有することができる。前記第２のレイヤを前記カソードに隣接させて配置することには、前記第２のレイヤを前記カソードに積層することが含まれる。前記第１のレイヤを前記カソードに隣接させて配置することには、前記第１のレイヤを前記カソードに接着することが含まれる。前記カソードを形成することが前記カソードによって前記空洞を画成することを含むとともに、前記方法は前記空洞内にアノードを配置する段階をさらに含む。前記カソードが集電器を有し、かつ前記カソードを形成することには前記集電器を接続して前記継目を形成することが含まれる。この方法が、導電性のタブを集電器に接続することをさらに含む。この方法が、前記導電性のタブ上にシール材を配置することをさらに含む。
【００２３】
本発明の他の特徴および効果は、それの好ましい実施形態の説明および請求項から明らかとなる。
【発明の実施の形態】
【００２４】
図１〜図５を参照すると、ケース１０２を有した矩形柱状の電池カートリッジないしパック１００が、このケースの内側の複数（例えば３つ）の金属−空気電池（セル、cells）１０４と共に示されている。ケース１０２は、その周辺に延びる壁を有した長方形状に形成されている。このカートリッジ１００は、ケース１０２にはめ込まれた弁フレーム１０６、移動可能な空気弁１０８、および固定空気弁１１０を備えている。弁１０８および１１０は、弁１０８によって定められる平面内で移動可能な空気弁１０８がスライド（図１，矢印Ａ）したときに、位置が合う（完全に重複する）、部分的に位置が合う（一部が重複する）若しくは位置が合わない（重複しない）空気取入開口すなわち孔１１２のパターンをそれぞれ有している。
【００２５】
カートリッジ１００を移動電話のような装置に用いるときには、移動可能な空気弁１０８は、この装置の作動モードに応じて固定空気弁１１０に対し配置（例えばスライド）することができる。例えば、この装置が「停止」モードにあるときには、弁１０８および１１０の孔１１２は完全に若しくは実質的に完全に位置が合わない。このカートリッジは、周囲の環境に対してしっかりと若しくは十分にセル（cells、電池）１０４を密封している。セルを自己放電から保護することにより、および／または空気に対する過剰な露出による電池材料の早すぎる劣化を最小化することによりセルのサービスライフを向上させるために、セル１０４に対する空気の流れは制限される。装置が「待機」モードにあるときには、弁１０８および１１０の孔１１２は部分的に位置が合う。セル１０４に対する空気の流れは、例えば、待機モードの間における装置の電力および／またはパワーアップの要求を満たすために充分な量の空気がセルに到達するように釣り合っている。装置が「オン」モード（例えば移動電話における「通話」モード）にあるときには、孔１１２が完全に若しくは実質的に完全に位置が合う。このモードにおいて、セルが完全な若しくは実質的に完全なレベルで作動することができるように、充分な空気がセル１０４に到達する。
【００２６】
いくつかの実施形態においては、パック１００が、可動空気弁１０８とセル１０４との間でケース１０２の全体に延びる低摩擦で吸収性のレイヤ（例えば不織ポリアミド繊維を有したワットマン紙（Ｐ３））をさらに備える。パック１００は、吸収性レイヤとセル１０４との間に多孔性レイヤ（例えばポリウレタン製の開放セル発泡体）をさらに備えることができる。パック１００は、多孔性レイヤとセル１０４との間に、疎水性の防湿層を有した吸収性レイヤ（例えば、ポリテトラフルオロエチレンのフィルムを有したワットマン紙（Ｐ３））をさらに備えることができる。電池パックないしカートリッジの他の実施形態は、使用および操作の方法を含めて、２０００年１０月２０日に出願された「電池システム」という名称の、譲受人が同一である米国特許出願第０９／６９３０１０号に記載されているが、その全体が本願明細書に組み込まれるものとする。
【００２７】
セル１０４は、カートリッジ１００内に配置されるように構成された柱状の金属−空気電気化学セルである。図６および図７を参照すると、この金属−空気セル１０４は、カソード組立体２２、この組立体２２の一端に接続された底部端部材２４、および組立体２２の他端に接続された頂部端部材２６を有している。カソード組立体２２は、集電器３０上に形成されたカソード２８、カソード２８の内側に接着されたセパレータ３２、およびカソード２８の外側に巻きつけられたバリヤー層３４、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥあるいはテフロン（登録商標））層を有している。カソード組立体２２は空洞３６を画成するように形成され、例えば巻き付けられている。セル１０４は、アノード３８および空洞３６内に配設されたアノード集電器４０をさらに有している。アノード集電器４０は、底部端部材２４から空洞３６および頂部端部材２６を通って延びている。陰極タブ４２がアノード集電器４０に接続され、かつ陽極タブ４４がカソード集電器３０に接続されている。セル１０４を完全に組み立てると、バリヤー層３４が電池の外側表面を画成する。すなわち、このセル１０４は、バリヤー層３４に対して外側となる、例えば円筒状の金属容器若しくは缶のようなハウジングを有していない。使用の間においては、空気取入開口１１２からの酸素がバリヤー層３４を通過してカソード２８に接触し、電気エネルギーを供給するためのセルにおける電気化学反応の一部として還元される。セル１０４は以下においてさらに詳述されるとともに、米国特許出願 第６０／２６５，８２２号の内容が本願明細書に組み込まれる。
【００２８】
変更されたバリヤー層
【００２９】
理論によって束縛されることは望まないが、金属−空気パックにおいては、酸素および水のような材料に対する２つの質量輸送抵抗があると考えられる。１つの輸送抵抗はパックレベルの問題であり、他はセルレベルの問題である。パックレベルにおいては、例えば酸素の質量輸送抵抗は、部分的にはプレナム深さ（セル１０４と移動可能な空気弁１０８との間の距離）および空気取入開口の配置および面積の関数である。セルレベルにおいては、パックの活性貯蔵寿命はセルの内外への水の輸送によって左右される。カソード内における（電解質の濃度に依存する）水の蒸気圧、および／または膜と接触している空気の相対湿度は、水蒸気の流動に影響を及ぼす変数である。一般的に、セル内からの水の移動はセルの活性貯蔵寿命を短縮させる。したがって、一部のケースにおいては、水の流動を最小化するために水に対する質量輸送抵抗を最大にすることが好ましい。
【００３０】
さらに、バリヤー層３４がセル１０４の周りで一様な実施形態においては、セル頂部のバリヤー層／カソードの界面における酸素濃度がセルの２つの側部における酸素濃度よりも少なくとも３０％高いと考えられる。これは、すなわち、セルの頂部が空気取入開口に対してそれらの側部よりも近い、すなわち拡散経路がより短いからである。酸素輸送経路におけるこの相違は、カソードにおける不均一な電流分布に帰着し、翻ってアノード内における不均一な反応平面の移動およびアノード利用の低下に帰着する。酸素分圧におけるこの不均一の減少は、比較的より均一な電流分布、したがってアノード利用の増加をもたらす。したがって、性能を向上させるためには、一様な酸素の共有を最大とし、および／または水の輸送を最小とすることが好ましい。
【００３１】
したがって、実施形態においては、セルの質量輸送抵抗に影響を及ぼすために、例えば増加させ若しくは減少させるために、セル１０４のバリヤー層３４が変更され若しくは改造される。例えば、セルの最上部におけるバリヤー層３４の特性を変化させることによってテフロンバリヤー層若しくはプレナムを出入りする水蒸気をより少なくし、それによってセルが相対的により長く水を保持できるようにすることができる。頂部を変更することによりセル性能を向上させることができる。セル１０４の側部においては酸素分圧が比較的一様であり、それによってアノードの利用を増すことができるからである。
【００３２】
いくつかの実施形態においては、バリヤー層を通過する酸素および水のような材料の流量を調整するために、バリヤー層３４の１つ若しくは複数の部分をバリヤー層の他の部分に対して変更する。バリヤー層３４のある部分は、バリヤー層の他の部分とは異なる、選択された材料に対する質量輸送抵抗若しくは透過性を有することができる。バリヤー層３４のある部分は、バリヤー層の他の部分とは異なる気孔率を有することができる。バリヤー層３４のある部分は、バリヤー層の他の部分とは明らかに異なる密度を有することができる。実施形態においては、バリヤー層３４の１つ若しくは複数の部分がセルの周りにおいて一様ではない。
【００３３】
レイヤを通過する水および／または酸素のような材料の質量輸送抵抗といったバリヤー層３４の特性を変更する、例えば増減させるために、多くの手段を用いることができる。いくつかの実施形態においてはバリヤー層３４が機械的に加工される。バリヤー層３４は、例えば叩き、圧縮し、変形させおよび／または伸ばすことができる。叩くことおよび／または圧縮することは、鈍い尖端若しくは突き針のような適当な大きさの型を用いることによって実行することができる。例えば、バリヤー層を機械的に加工することは、加工された領域の気孔率が加工されない領域よりも低いという気孔率の変化、加工された領域の密度が加工されない領域よりも高いという密度の変化、および加工された領域の輸送抵抗が加工されない領域よりも増加するという輸送抵抗の変化のいずれか一つをもたらす。
【００３４】
変更の程度は、例えば負荷する加工の程度を制御することにより、変化させかつ制御することができる。実施形態においては、変更されない領域に対し、変更された領域は、変更されない領域における気孔率の９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、若しくは１０％低い気孔率を有することができる。変更されない領域および変更された領域は、質量輸送抵抗および／または密度に関して同様な相違を持つことができる。
【００３５】
材料の質量輸送抵抗を変更するための他の手段には化学的な手段が含まれる。例えば、質量輸送抵抗を増やすために、例えば水および／または酸素の流動を妨げる材料を塗装し、吹付け、あるいはコーティングすることにより選択された領域を変更することができる。適切な材料の例には、エポキシ、フルオロ流体（例えばＫｅｌ―Ｆオイル）、若しくは接着剤が含まれる。選択された領域には、その領域を塞ぎ若しくは詰まらせる化学的前駆体若しくは反応体のような材料を噴射することができる。例えば、噴射された材料は酸化亜鉛および詰まったバリヤー層３４を形成するためにアノードと反応することができる。
【００３６】
いくつかの実施例においては、質量輸送抵抗に影響を及ぼすためにバリヤー層３４の厚みを変更することができる。ある選択された領域における質量輸送抵抗を増加させるために、セルの最上部において、その領域に多数のバリヤー層３４を用いることができる。バリヤー層３４を選択された領域に形成する、例えば押出成形することにより、他の領域とは異なる、例えば大きな厚みを持たせることができる。気孔率の５０％の減少に等しい結果を得るために必要なバリヤー層の余分の厚みは推定することができる。蒸気の質量輸送抵抗若しくはガス相の抵抗は、数学的にＲMTとして表現される、ガス相拡散係数に対するガス拡散経路長（バリヤー層厚）の比率として与えられる。
ＲMT＝δ／Ｄε１.５
ここでＲMTは質量輸送抵抗、δはバリヤー層の厚み、Ｄε１.５はバリアマトリックスにおける有効拡散係数である。例えば貯蔵寿命において、気孔率の５０％の減少によって得られるものと同一の改良を達成するためには、バリヤー層の厚みを、変更しないレイヤの厚みの約２．８倍に増やさなければならない。
【００３７】
バリヤー層３４の質量輸送抵抗を変更するためのさまざまな方法を組み合わせて用いることができる。すなわち、選択された領域は機械的な手段、化学的な手段、および／または本願明細書に記載される任意の手段によって変更することができる。例えば、選択された領域は、質量輸送抵抗を増加させる材料がコーティングされたバリヤー層３４の複数の層を用いることによって変更することができるし、あるいは機械的な加工および化学的な手段によって変更することができる。
【００３８】
セル１０４のさまざまな領域を変更することができる。変更する領域は全般的に、活物質の一様な利用を最大にするとともに水の損失を最小化することによってセルの性能を最大にするように選択される。変更する領域には、セル１０４の上面の全体若しくは上面の選択した部分が含まれる。選択された領域、例えば上面に沿って、変更する程度を変化させることができる。例えば質量輸送抵抗は、一側のセルから他側のセルへと徐々に変化させることができる。例えば、 質量輸送抵抗は、上面の中央において最小であるが側部の近傍において最大とすることができる。セル１０４の側部および／または底部は、本明細書に記述されるように変更することができる。
【００３９】
他の実施形態においては、本明細書に記述されるようなバリヤー層の変更は、例えば他の電池システムのような、セル１０４以外のシステムにも適用することができる。一般に、何らかの電気化学的な電力源のバリヤー層を変更することができる。この電力源は非気密に密封することができる。この電力源には、金属−空気電池（例えば空気−亜鉛電池、アルミニウム−空気電池、およびマグネシウム−空気電池）、空気再生電池(air recovery batteries)、および空気電池(air depolarized cells)が含まれる。これらの電力源の例は、米国特許第２，５９７，１１９号、第３，４３６，２７０号、２０００年１月３１日に出願された米国特許出願第０９／４９４５８４号、および２０００年４月６日に出願された米国特許出願第０９／５４４０７６号に記載されているが、それらの全てが本明細書の開示に組み込まれるものとする。電力源は、米国特許第６，２３２，００７号、および ２００１年２月１日に出願された「電池」という名称の米国特許出願第０９／７７３９６２号に記載されているように、スリット、長穴およびルーバー等の非円形の空気取入開口を有することができる。なお、これらの文献の内容は本明細書の開示に組み込まれるものとする。電力源は、燃料電池とすることもできる。
【００４０】
バリヤー層の変更は、様々な形態の電気化学的な電力源に適用することができる。例えば、電力源は、円筒状電池、ボタン電池、任意の断面形状の柱状電池（prismatic cell）、若しくはレーストラック形電池（racetrack-shaped cell）とすることができる。
【００４１】
非気密封止型の電気化学的な電力源においては、バリヤー層の変更する部分の表面積若しくは容積を変化させることができる。変更する部分は、電力源上の空気取入開口に隣接させ、例えばセル容器の開口に位置合わせすることができる。変更する部分の面積は、空気取入開口の面積と等しくし若しくは異ならせることができる。例えば、空気取入開口の面積に対して、バリヤー層の変更部分の面積は、２倍、４倍、６倍、８倍、１６倍、３２倍若しくは６４倍大きくすることができる。他の実施形態においては、バリヤー層の変更部分の面積に対して、空気取入開口の面積は、２倍、４倍、６倍、８倍、１６倍、３２倍若しくは６４倍大きくすることができる。これらの領域は、実質的に位置合わせし若しくは位置合わせしないことができる。
【００４２】
バリヤー層は、本願明細書に記載するように、例えば機械的および／または化学的な手段を用いて、および／またはその厚みを変えることによって変更することができる。いくつかの実施例においては、電力源を組み立てた後にバリヤー層を変更することができる。例えば、バリヤー層は、叩き加工した後にスプリングバックする電池容器の外側部分を叩き若しくは押し込むことによって、機械的に加工されることができる。
【００４３】
他の実施形態においては、バリヤー層の一部を変更するレベルを変えることができる。変更された部分のいくつかは、変更された他の部分よりも大きい多孔性、密度および／または質量輸送抵抗を持つことができる。本願明細書に記載されるバリヤー層の変更はまた、方法、変更する領域の程度および位置を含めて、水および／または電解質拡散に影響を与えるためにカソードおよびアノード間のセパレータ層に適用し、および／または上述した疎水性防湿層を有する吸収性層に適用することができる。他の実施例においては、それに代えて若しくはそれに加えて、ある領域の質量輸送抵抗を増加させるべくその領域を変更するために、例えばバリヤー層若しくはセパレータのより薄い部分、より多孔性が低い部分若しくはより密度が低い部分を用いることにより、他の領域の質量輸送抵抗を相対的に減少させるように変更することができる。
【００４４】
空気取入開口の設計
【００４５】
上述したように、パックレベルにおいては、カートリッジ１００の酸素の質量輸送抵抗は、ある程度は、空気取入開口１１２の配置および／または面積といったパターンの関数である。開口の大きさおよび／または配置は、好ましくは、水の輸送を最小としつつ酸素の輸送を最大にするように設計される。また、パック内のカソードを通過する酸素の流束は、活物質の利用を最大にするために一様でなければならない。例えば、開口が多すぎる場合、若しくは開口がより好ましくない位置に配置されている場合には、パック内への水の侵入若しくはパック内からの水の排出が早すぎるという不具合を生じさせる。十分な酸素を供給するためには好ましい位置に配置された開口が十分ではない場合には、パックは所定の用途のために必要な電流を供給することができない。
【００４６】
開口の数および開口の位置等の変数を含めた、ガス輸送の有限要素モデルを用いることにより、選択された用途のために十分な酸素輸送を供給しつつセル内に侵入する若しくはセルから排出される水の割合を減少させることに帰着する空気孔のパターン若しくはデザインが計算された。３つのセルの電気通信パックにおいては、空気孔がセルの間、例えばセル間の隙間内に配置される設計により、ＣＤＭＡ若しくはＧＳＭのために必要な酸素濃度を同時に維持しつつ、水輸送を減少させることができる。
【００４７】
モデルシミュレーションは、パック１００においては、大部分の水輸送が空気取入開口の直下におけるカソードからのものであることを明らかにした。開口がセルの上方に直接追加されているので、水の輸送は増加し続ける。水蒸気輸送のメカニズムは拡散であり、濃度勾配が駆動力であると考えられている。ここで、大きな濃度勾配がセルの頂部にあるので、水の輸送はセルの頂部を横切るように生じる。比較すると、セルの側面および底部における濃度勾配が比較的小さいので、セルの側面および底部を横切る水輸送のための駆動力は比較的小さい。したがって、セル１０４の上方に直接開口を形成することは、明らかに水輸送の割合を増加させる。いくつかの状況においては、セルの頂部のすぐ上にある開口を取り除くととともにセルの隙間の上にある開口のみを使用すると、セルの水の減少／増加の割合が約６０パーセント減少した。
【００４８】
さらに、酸素分圧は開口の直下において最も高いが、セル１００の直上に開口を成形することは明らかに酸素の出入りを高めなかった。セルの底部に対する酸素の出入りもまた、セルの直上に開口を配置することによっては高められなかった。実際に、ある状況においては、セルの直上から開口を取り除くことは酸素の輸送に対して、約１〜２％よりも少ない影響しか及ぼさなかったしたがって、パック１００内のセルの隙間の上方に配置される開口は単独で、水の流束を最小としつつ、一様かつＧＳＭおよび／またはＣＤＭＡにおいて必要な酸素の供給を提供することができると考えられる。
【００４９】
空気取入開口の直径はまた、パック１００若しくは金属−空気セル（金属−空気電池）（実施例３）のような電気化学電池の性能に影響を及ぼすように設計することができる。実施形態においては、開口直径が増加するにつれて制限電流が増加し貯蔵寿命が減少する。制限電流は、相対的に貯蔵寿命の減少を超えて増加させることができる。開口直径を増加させることはまた、最小電流密度に対する最大電流密度の比（最大／最小比）および反応電流密度の標準偏差を減少させることができる。最大／最小比がフラッディング(flooding)若しくは濡れの一様性の指標であり、かつ標準偏差がアノード利用の指標であると考えられる。すなわち、開口寸法の減少は、標準偏差および最大／最小比を低下させて利用および濡れに不利な影響を与える。したがって、限界電流を減少させて貯蔵寿命を増加させるという観点においては、開口寸法を減少させることは、上述したようにバリヤー層を変更することと同じ影響をもたらすように見える。したがって、いくつかの実施例においては、空気取入開口の設計を上述したように変更されたバリヤー層と組み合わせて用いることができる。例えば、水の流束をさらに減少させるために、セルの隙間内のみにある空気取入開口を設計することに加えて、叩き加工したテフロンをセルの頂部側面のために用いることができる。空気取入開口の直下に叩き加工したテフロンを使用することにより、電流密度の不均一の減少およびパックの貯蔵寿命の改善において改良を達成することができる。
【００５０】
後述する実施例は、空気取入開口を設計するためのいくつかの方法を提供する。いくつかの実施例においては、好ましくは隣接するセル間の隙間の上に開口を配置する。開口の列は、それらがセルの側壁の上方において中心を合わせて配置することができる。開口は、セルの側壁に対して中心をずらすことができる。例えば、各開口の１０％、２０％、３０％、４０％、６０％、７０％、８０％若しくは９０％のみが、セルの側壁の上方にある。いくつかの実施例においては、セルの直接および／または完全に上方には空気取入開口がない。開口の列は、隣接するセル間の隙間に対して完全および／または直上とすることができる。例えば、隙間の近傍にある開口の隣接する列の数は、１、２、３、４、５若しくはそれ以上に変化させることができる。隣接する列は、好ましくは一様に間隔を置いて配置するが、不規則に間隔を置いて配置することもできる。隣接する開口間の隙間は、一様とすることもできるし不規則とすることもできる。開口は非円形、例えば卵形、細長、および／またはスリットとすることができる。
【００５１】
金属−空気セル（金属−空気電池）
【００５２】
図６〜図１１を参照すると、金属−空気セル１０４は、カソード組立体２２、この組立体２２の一端に接続された底部端部材２４、および組立体２２の他端に接続された頂部端部材２６を備えている。カソード組立体２２は、集電器３０上に形成されたカソード２８、カソード２８の内側側面に接着されたセパレータ３２、およびカソード２８の外側表面の周りに巻きつけられた、例えば積層されたバリヤー層３４を備えている。カソード組立体２２は、空洞３６を画成するように形成されている。セル１０４は、アノード３８、および空洞３６内に配設されたアノード集電器４０をさらに備えている。アノード集電器４０は、底部端部材２４から空洞３６および頂部端部材２６を通って延びている。陰極タブ４２がアノード集電器４０に接続され、かつ陽極タブ４４がカソード集電器３０に接続されている。セル１０４が完全に組み立てられると（図１）、バリヤー層３４はセルの外側表面を画成する。
【００５３】
カソード組立体２２は、集電器３０上に形成されたカソード２８、セパレータ３２、およびバリヤー層３４を有している。
【００５４】
カソード２８は、例えばマンガン化合物、カーボン粒子およびバインダのような、過酸化物を還元するための触媒を有した活性カソード混合物を含んでいる。有効な触媒には、例えばマンガン硝酸塩を加熱することによって若しくは過マンガン酸カリウムを還元することによって調製することができる、三酸化二マンガン(Ｍｎ２Ｏ３)、四酸化三マンガン(Ｍｎ３Ｏ４)および二酸化マンガン(ＭｎＯ２)のようなマンガン酸化物が含まれる。カソード２８は、重量パーセントで約１％〜約１０％、好ましくは約３％〜約５％の触媒を含んでいる。
【００５５】
カーボン粒子は特定のタイプのカーボンには限定されない。カーボンの例には、Black Pearls 2000、Vulcan XC-72 (Cabot Corp., Billerica, マサチューセッツ州)、Shawinigan Black (Chevron, サンフランシスコ, カリフォルニア州)、Printex, Ketjen Black (Akzo Nobel, シカゴ、イリノイ州)、およびCalgon PWA (Calgon Carbon, ピッツバーグ、ペンシルバニア州)が含まれる。全般的にカソード混合物は、重量パーセントで総量約３０％〜約７０％、好ましくは約５０％〜約６０％の炭素を含む。
【００５６】
バインダの実例には、ポリエチレンパウダー、ポリアクリルアミド、ポートランドセメント、ポリフッ化ビニリデン、およびポリテトラフルオロエチレンのような過フッ化炭化水素樹脂含まれる。ポリエチレンバインダの一例は、Coathylene HA-1681 (Hoechst)という商品名で販売されている。好ましいバインダは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含有する。全般的にカソード混合物は、重量パーセントで約１０％〜４０％、好ましくは約３０％〜約４０％のバインダを含む。
【００５７】
カソード混合物は、触媒、カーボン粒子およびバインダを混合することによって形成されるとともに、金属メッシュスクリーンのようなカソード集電器３０上にコーティングされてカソード２８を形成する。カソード混合物が固まった後、カソード２８はあらゆる残余の揮発性物質を取り除くために加熱される。
【００５８】
カソード組立体２２の内側の側面上には、セパレータ３２がカソード２８に接着されている。セパレータ３２は、電解質（後述する）がカソード２８に接触できるようにする、多孔性の、ポリプロピレンのような電気的に絶縁されたポリマーとすることができる。
【００５９】
カソード組立体２２の外側の側面上には、バリヤー層３４がカソード２８に積層されてカソード組立体２２を完成させている。バリヤー層３４は、空気透過性でありかつ液体不透過性である。例えばＰＴＦＥ膜のようなバリヤー層３４は、セル１０４内における安定した湿度レベルの維持を助けている。バリヤー層３４はまた、電解質がセル外に漏れることおよび二酸化炭素がセル内に漏れることの防止を助けている。
【００６０】
アノードゲル３８は亜鉛と電解質との混合物を含んでいる。亜鉛および電解質の混合物は、セルからの電解質の漏れの防止を助けることができるとともにアノード内における亜鉛粒子の懸濁を助けるゲル化剤を有することができる。
【００６１】
亜鉛材料は、鉛、インジウム、アルミニウム若しくはビスマスとの合金である亜鉛パウダーとすることができる。例えば、亜鉛は、約４００〜６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）の鉛、４００〜６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）のインジウム、若しくは約５０〜９０ｐｐｍ（例えば７０ｐｐｍ）のアルミニウムとの合金とすることができる。好ましくは、亜鉛材料は、鉛、インジウムとアルミニウム、鉛とインジウム、若しくは鉛とビスマスを含むことができる。あるいは、亜鉛は他の金属添加物なしに鉛を含むことができる。亜鉛材料は、空気吹付(air blow)若しくは遠心分離(spun)亜鉛とすることができる。適切な亜鉛粒子は、例えば１９９８年９月１８日に出願された米国特許出願第０９／第１５６，９１５号、１９９７年８月１日に出願された米国特許第０８／９０５２５４号、および１９９８年７月１５日に出願された米国特許出願第０９／１１５８６７号に記載されているが、それらのすべてが本願明細書の開示に組み込まれるものとする。
【００６２】
亜鉛の粒子は、球形若しくは非球形とすることができる。例えば、亜鉛粒子は、その形状を針状（縦横比が少なくとも２）とすることができる。亜鉛材料の大多数の粒子は６０メッシュ〜３２５メッシュのサイズを有している。例えば、亜鉛材料は、以下の粒子寸法分布を有することができる。６０メッシュスクリーン上に０〜３重量％；１００メッシュスクリーン上に４０〜６０重量％；２００メッシュスクリーン上に３０〜５０重量％；３２５メッシュスクリーン上に０〜３重量％；パン上に０〜０．５重量％。
【００６３】
適切な亜鉛材料には、Union Miniere (Overpelt, ベルギー)、Duracell (米国)、Noranda (米国)、Grillo (ドイツ)、若しくは東邦亜鉛（日本）から入手可能な材料が含まれる。
【００６４】
ゲル化剤は吸収性のポリアクリレートである。吸収性のポリアクリレートは、米国特許第４，５４１，８７１号に記載されているように測定したときにゲル化剤１グラムにつき約３０グラム未満の塩類吸収性のエンベロープを有している。なお、この特許の内容は本明細書に組み込まれるものとする。アノードゲルは、アノード混合物内における亜鉛の乾燥重量に対して１パーセント未満のゲル化剤を含む。好ましくは、ゲル化剤の含有量は、約０．２〜０．８重量パーセント、より好ましくは約０．３〜０．６重量パーセント、最も好ましくは約０．３３重量パーセントである。吸収性ポリアクリレートは、懸濁液の重合によって作られるナトリウムポリアクリレートとすることができる。適切なナトリウムポリアクリレートは、約１０５〜１８０ミクロンの平均粒子寸法および約７．５のｐＨを有する。適切なゲル化剤は、例えば米国特許第４，５４１，８７１号、米国特許第４，５９０，２２７号、若しくは米国特許第４，５０７，４３８号に記載されている。
【００６５】
ある実施形態においては、アノードゲルは非イオン性界面活性剤を含むことができる。界面活性剤は、亜鉛表面にコーティングされる非イオン系アルキルリン酸塩若しくは非イオン系アリールリン酸塩（例えばRohm &Haasから入手可能なＲＡ６００若しくはＲＭ５１０）のような、非イオン系リン酸塩界面活性剤とすることができる。アノードゲルは、亜鉛材料の表面上にコーティングされる約２０〜１００ｐｐｍの界面活性剤を含むことができる。界面活性剤は気泡発生防止剤としての役割を果たすことができる。
【００６６】
電解質は水酸化カリウムの水溶液とすることができる。電解質は、約３０〜４０パーセント、好ましくは３５〜４０パーセントの水酸化カリウムを含むことができる。電解質はまた、約１〜２パーセントの酸化亜鉛を含むことができる。
【００６７】
端部材２４および２６は、電気的に絶縁性の材料、例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）から製造される。各端部材２４および２６は、アノード集電器４０を受け入れるように寸法決めされた開口を有している。各端部材２４および２６はまた、後述するように、端部材とカソード組立体２２との位置合わせを助けるための段差４５および４９を有している。さらに頂部端部材２６は、陽極タブ４４がそこを通って延びる切欠き４７（図６）を画成している。
【００６８】
アノード集電器４０、陽極タブ４４および陰極タブ４２は、セル１０４内に存在している化学物質および電気的なポテンシャルに対して安定な材料からできている。例えば、アノード集電器は真鍮から、陽極タブ４４はニッケル金属から、陰極タブ４２はスズメッキされた真鍮からできている。
【００６９】
セル１０４を組み立てるためには、例えば矩形シート状で所望する寸法のブランク材を、（カソード２８、集電器３０、セパレータ３２およびバリヤー層３４から製造された）カソード組立体２２の大きなシートから打ち抜く。バリヤー層３４およびセパレータ３２の一時的に十分に被覆が剥がされる部分については、集電器３０の２つの領域を露出させるために、カソード組立体２２の対向する端部の両方からカソード材料２８が（例えばこすり取ることによって）取り除かれる。これらの露出させた領域は、カソード組立体２２を成形した後に一体に溶接される。次いでカソード組立体２２は、空洞３６を画成するとともに集電器３０の露出させた領域を一体に重ねるように成形される。例えば、カソード組立体は、矩形若しくは正方形の断面形状を有するカソード管を形成するために巻くことができるとともに、円形の断面形状を有するカソード管を形成するために心棒の回りに湾曲させ若しくは巻き上げることができる。集電器３０の露出させた領域は重ねられて一体に溶接され、カソード組立体２２の比較的堅固なチューブをもたらす。セパレータ３２の一時的に被覆を剥がした部分は、溶接によって製造された継目上に再び配置され、重ねられて、カソード２８およびアノード３８を分離するために２、３滴のエポキシによって固定される。
【００７０】
それから陽極のタブ４４は、カソード組立体２２の外側において継目に沿って集電器３０に溶接される。次いで、セル１０４からの電解質およびアノード３８の漏れを最小とするために、（3M, St. Paul,ミネソタ州から入手可能な）エポキシのようなシール材４６の帯片がカソード組立体２２に沿って陽極のタブ４４および継目上に貼り付けられる。
【００７１】
アノード集電器４０は、底部端部材２４のに開口を介して挿入される。底部端部材にアノード集電器４０を固定するとともに、電解質およびアノード３８が開口を介した漏れを最小にするために、エポキシ４８が底部端部材２４の開口の外側に塗布される。
【００７２】
それから、アノード集電器４０を空洞３６に挿入するとともに、カソード組立体を底部端部材に嵌合させることによって、底部端部材２４はカソード組立体２２に接続される。段差４５は、カソード組立体２２の底部端部材２４上への中心合わせを助ける。カソード組立体２２の周りに延びるエポキシ５０のビードは、カソード組立体を底部端部材２４に固定するとともにセル１０４からの漏れを最小とする。いくつかの実施形態においては、その内部にカソード組立体２２が着座することができる溝を底部端部材２４が有するとともに、エポキシ５０のビードをこの溝内に置くことができる。
【００７３】
それから、空洞３６はアノード３８で満たされる。
【００７４】
エポキシ５６の層が、セル１０４からリークを最小化するために頂部端部材２６の内側表面に付加される。それから、切欠き４７が陽極タブ４４を受け入れるとともにアノード集電器４０が頂部端部材の開口を通って延びるように、頂部端部材２６がカソード組立体２２上に配置される。段部４９は、カソード組立体２２の頂部端部材２６上への中心合わせを助ける。アノード集電器４０が端部材２４および２６を通って延びることにより、このアノード集電器はセル１０４の機械的な一体性を強化する剛性支持体として作用する。また、セル１０４の長手方向に沿って延びるアノード集電器は、比較的小さい電圧低下をもたらすことにより、放電効率を最適化することができる。エポキシ５２のビードは、エポキシ４８と同様に、カソードアセンブリ２２の周りにおいて頂部端部材２６に付加される。エポキシ５４はまた、アノード集電器４０を頂部端部材に固定するとともに電解質およびアノード３８の開口を介した漏れを最小化するために、頂部端部材２６の開口の外側に付加される。
【００７５】
それから、セル１０４の組立体を完成させるために、陰極タブ４２はアノード集電器４０に溶接される。
【００７６】
（複数の）セル１０４は、それらの負極タブおよび陽極タブを適切に、例えば直列に接続しつつパック１００内に配置される。（図１０および図１１）
【００７７】
セル１０４を組み立てるために、手順の数多くの他の組合せを用いることができる。例えば、アノード集電器４０を頂部端部材２６に接着するとともに陰極タブ４２に溶接し、かつこの組立体を一つの単位としてカソード組立体２２に接続することができる。底部端部材２４は開口を持たないようにすることもできる。アノード集電器４０は、電池２０の長さの一部においてのみ延びることもできる。タブ４２および４４は、セル１０４から電池の反対側の端部に延びることができる。セル１０４は、陰極タブを持たないようにすることもできる。端部材２４，２６および／またはカソードアセンブリ２２は、三角形、四角形、円形，および矩形等の異なる断面形状を有することができる。セル１０４は、例えば内側にフィットするように、若しくは譲受人が同一である米国特許出願第０９／６９３０１０号に記載されているように金属−空気カートリッジと共に用いるために、様々な寸法に形成することができる。
【００７８】
他の実施例においては、セパレータ３２およびバリヤー層３４を、他の手段によってカソード２８に隣接させて配設することができる。例えば、セパレータ３２を水溶液から鋳造するとともに、水溶液が乾燥するときにカソード２８上に形成することができる。
【００７９】
以下の実施例は例示を目的としたものであり、それに限定されることは意図されない。
【実施例１】
【００８０】
有限要素モデリングを利用することには、システムの特定のジオメトリーのための方程式を解くことが含まれる。解法の手順には、ＦＥＭＬＡＢ／ＭＡＴＬＡＢソフトウェアにジオメトリを入力すること、そのジオメトリにおける各境界条件において方程式を入力すること、そのソフトウェアにおける有限要素ユニットソルバーのための内部アルゴリズムを用いて方程式を解くことが含まれる。プレナムは、３，０００〜１９，０００ユニットのメッシュに分割されている。
【００８１】
支配方程式は以下を含んでいる。
質量保存（全体(bulk)）：∇・ν＝０
質量保存（メッシュ(species)）：ρν・∇Ｘｍ＋∇・（−Ｄρ∇Ｘｍ）＝０
運動量保存：ρν・∇νｘ＋∇・（−μ∇νｘ）＋δｐ／δｘ＝０
ここで，ν＝速度、ρ＝密度、およびＸ＝質量分数である。
【００８２】
境界条件は、空気取入開口、壁およびカソードに適用される。空気取入開口については、ρ、Ｘｍ，およびｐは環境である。速度（ν）は印加電流に比例する。壁においては法線流動はゼロ（集団質量、種、運動量）である。カソードにおいては、ｎ・（−Ｄρ∇Ｘｍ）はｊ（電流密度）に比例する。電流密度（ｊ）はρＸｍに比例する。
【００８３】
酸素濃度[Ｏ２]は、環境に対して標準化された[Ｏ２]＝ρＸｍとして解かれる。
【実施例２】
【００８４】
この実施例は、三次元有限要素モデリングの結果を、実験に基づく方程式および条件の組を含んでいる実験に基づいたアルゴリズムに圧縮する。このアルゴリズムは、電池カートリッジ若しくはパックを設計する際に開口の好ましい数および位置を得るといった、空気取入開口の好ましい設計案を見出すことを助ける、全般的な枠組みを与えることができる。このアルゴリズムは、あらゆる任意の柱状のパックの設計に有効である。このアルゴリズムはまた、パックを設計する際に生じ得る機械的な制約の理由を説明するための手段をもたらす。この取り組みは、時間の節約、および設計を変更する毎に有限要素シミュレーションを毎回実行することの回避に結びつく。図１５は、設計のためのアルゴリズム、およびその下でそれが有効となる条件を要約したフローチャートを示している。
【００８５】
このアルゴリズムは一般的なものであり、ｎ個の柱状の容器無しセルを含むあらゆるセルパックのために用いることができる。図１２および図１３を参照すると、セル池のパラメータは、セルの幅（ｘ）、セルの高さ（ｙ）、タブの幅（ｚ）、および有効セル長さ(ｌ)である。プレナムのパラメータは、セル間プレナムの幅（ｗ）、頂部におけるプレナムの深さ（ｐ）、および底部におけるプレナムの深さ（ｂ）である。開口のパターンのパラメータは、開口の直径（ｄ）、セル間プレナム上のカラムの数(ｃ)、および開口の列の数（ｒ）である。このアルゴリズムは、入力パラメータｘ、ｙ、ｚ、ｌ、ｗ、ｐおよびｂを用いることにより、例えば金属−空気パック内におけるＣＤＭＡ若しくはＧＳＭの速度を維持するために必要とされるｄ、ｃおよびｒを決定するために用いることができる。穴の総数はｒｃ（ｎ＋ｌ）である。
【００８６】
一般的に、最も低い酸素濃度はセルの底に生じる。空気取入開口からセルの底部に至る拡散の経路が最も長いからである。したがって、相対的に電気化学的に不活性である、各セルのタブを付けた側は、他のカソード表面における平均酸素濃度を増加させるために、好ましくはカートリッジの底に配置される。
【００８７】
有限要素解析は、セルの直上ではなく、セル間のプレナムの上方に開口を配置することが好ましいことを示した。そのような配置は、底部への拡散抵抗が頂部への拡散抵抗よりも大きい限りにおいて、開口からセルの頂部、側部および／または底部への拡散における抵抗の差異を最小化する。この条件は、次のように数式で表現することができる。
ｘ／２ｐ＜２ｙ／ｗ＋（ｘ−ｚ）／２ｂ  ・・・（１）
【００８８】
したがって、この不等式(１)があてはまるパック設計においては、好ましくは開口がセル間プレナムの上方に配置される。隅のセルとパック壁との間のプレナムの上方に開口を配置することが機械的な考慮によって排除される場合には、そのプレナムにできる限り近づくように隅っこのセルの上方に開口を配置することができる。隅のセルを除いて、セルの直上に開口を配置することは、空気の取入を改善させることなしに水の損失を悪化させることになる。
【００８９】
いくつかの実施例においては、パックを閉じたときの各シートの対応する円形開口間の中心間距離が開口直径の約２倍であるという、機械的な制約が設定される。シート間における開口から開口への距離が２ｄであるので、あるシート内における開口から開口への長手方向の距離は４ｄでなければならない。また、開口の多数の列が各セル間プレナムの上方で用いられる場合には（すなわちｃ＞１）、カラム同士の中心間距離は２ｄでなければならない。
【００９０】
セル間の開放領域を単に最大にするための開口パターンは、カラム間の空間をより効率的にするために、各プレナムの上方に大きな開口（すなわちｃ＝１）の一つの列を備えることになる。そのような設計においてはｄの値はセル間の幅ｗの値に等しい。したがって、長手方向の中心間距離は少なくとも４ｗとなる。しかしながら、シミュレーションは、開口が長手方向に遠く離れるほど開口から最も離れた箇所への酸素の供給が悪化することを示した。特に、４ｗという値はあまりに遠く離れすぎているので、開口の面積とその長手方向の分布との間の妥協が好ましい。
【００９１】
図１４を参照すると、最小標準酸素濃度はｃの値の増加に伴って全般的に増加する。ｃの値が１〜２に増加するときの濃度の増加は、ｃ＝１の場合の約１５％である。ｃの値が２〜３および４に増加すると、最小濃度の増加はｃ＝２の場合の値の約４％である。したがって、ｃの値が１〜２へと増加するときの利益はかなり大きく、かつｃの値が２を越えて増加するときに利益は減少する。製造の観点および漏出防止の観点の両方からみると、より多く開口を形成すると、コストがより高くなるとともに故障の機会がより高まることになり得る。したがって、ｃ＝２という値は、各セル間のプレナム上における開口の列の好ましい数を示している。シミュレーションは、ｃ＝２の値を選択することがプレナムの幅（ｗ）の影響を受けないことを示した。
【００９２】
有限要素解析はまた、２つの列がセルとプレナムとの境界の上方で中心合わせされなければならないことを示した。この場合、列の間の中心間距離が少なくとも２ｄであるという制約により、好ましくは開口の直径は次の不等式に従う。
ｄ≦ｗ／２  ・・・（２）
【００９３】
ｄの値が実際にｗ／２に等しくなければならないかどうかは演繹的には明白でない。ｄ＝ｗ／２である場合には、列の間の中心間距離は２ｄに等しく、かつ開口面積が最大となる。しかしながら、開口間の長手方向距離、４ｄ、もまた最大となる。シミュレーションは、所与の値ｃにおいて、することを示した。開口面積を最大にすることによって得られる利点は、好ましくない長手方向の分布による損失を僅かに上回る。したがって、好ましい直径の値が次式により与えられる。
ｄ＝ｗ／２  ・・・（３）
【００９４】
一つの列における開口間の中心間距離がａｄである場合、ａは約４であるから、開口の列の数は次式によって与えられる。
ｒ＝ｌ／ａｄ  ・・・（４）
ここで、ｌは有効セル長さである。方程式（３）および（４）は、ｃ＝２という値と共に、所与のｗの値に対して好ましい開口パターン決定するために用いることができる。
【００９５】
所定のパック設計のための開口パターンを設計するときに、これらの数式によって与えられる開口パターンが機械的に実行可能でない場合は、パターンをいくらか変更することができる。シミュレーションは、列の幅方向の位置、それらの間隔、開口の直径（ｄ）、および／またはパラメータ(ａ)が調整可能であることを示した。ｄおよびａの値を調整する際には、方程式４を満たすことが好ましい（すなわちｒの値が変更される）が、方程式３を不等式２に置き換えることができる。これらの４つのパラメータをわずかに変更することによって実行可能な開口パターンを得ることができない場合には、異なる値のｃを選択することが助けとなる。
【００９６】
新しいパックを設計するときには、古い開口パターンに対する変更を反復してシミュレーションするよりのではなくて、好ましい開口パターンを予測するために前述したプロセスを用いることができる。このプロセスは図１５に示されている。各セル間プレナム上の列(ｃ)の好ましい数を２つに設定するともに、開口直径（ｄ）の好ましい値および列（ｒ）の数を決定するために方程式３および４を用いる。ｄ、ｃおよびｒによって与えられる開口パターンが実行可能な場合、それを用いることができる。そうでない場合には、実行可能な開口パターンを設計するために、上述したような調整を用いることができる。可能であるならば、各セル間プレナム上のものと同一の開口寸法、個数、パターンを隅のセル上に配置することができるとともに、隅のセル上の開口はできるだけパックの壁に近づけることが好ましい。このプロセスによって設計された開口パターンは、カバーの設計における機械的な制約を実質的に保ちつつ、空気の取入を最大にしつつ水の損失を最小にする。
【実施例３】
【００９７】
この実施例は、カソード内の電流密度をより一様にするとともに活性貯蔵寿命を改善するために、叩き加工したテフロンのボタンセル（ボタン電池）における使用を調査したものである。上述した有限要素気体輸送モデルを用いることにより、９孔６７５デュラセル亜鉛空気ボタン電池において積層されていないテフロンレイヤを叩き加工することの効果が調査された。
【００９８】
活性貯蔵寿命を大幅に延ばすとともにカソード内における電流分布の均一性を改良するために、ボタンセル内の積層されていないテフロンディスクの選択的な叩き加工が用いることができる。例えば、空気取入開口の直下にある空気取入開口の直径の４倍の直径を有する円形部分において、積層されていないテフロンを叩き加工することは、貯蔵寿命の約２倍の延長に帰着する。また、電流密度が５〜１０パーセントより一様となる。より一様な電流密度は、より一様なフラッディングおよび改良されたアノード利用に帰着するが、ボタンセルの性能のためにはその両方がかなり好ましい。しかしながら、これらの利点はセルの制限電流の減少をその代償としている。
【００９９】
評価したＭＥＶ６７５ボタンセルは９つのの空気取入開口を備えており、８つの開口が一つの円の周方向に等しい間隔を開けて配置され、１つの開口がこの円の中心にある。周囲の開口のうちの１つと中心開口の１／８を含んでいる４５度のパイ形切片における拡散が検討された。拡散は、気孔率０．５のワットマン紙空気散乱ディスク、気孔率０．２のテフロンディスク、および（カソード上に）積層された気孔率０．２のテフロンレイヤによりモデル化された。電流分布および貯蔵寿命における叩き加工の効果がシミュレーションされるとともに叩き加工されていないセルと比較された。
【０１００】
叩き加工がどのように酸素の拡散に影響を及ぼすかということを探るために、４つの異なる叩き加工パターン（図１６Ａ〜図１６Ｄ）がシミュレーションされた。図１６Ａを参照すると、１６Ａのパターンにおいては各開口の直下にある領域のみが叩き加工された。したがってパターン１６Ａは、空気取入開口の直径に等しい直径の９つの円形領域を有している。同様に、パターン１６Ｂ（図１６Ｂ）は空気取入開口の下に中心合わせされた９つの円領域を有しているが、叩き加工された各領域は空気取入開口の直径よりも４倍大きな直径を有している。パターン１６Ｂにおいて叩き加工された領域は、パターン１６Ａにおいて叩き加工された領域よりも１６倍大きい。パターン１６Ｃおよび１６Ｄは、中心開口の下方に叩き加工された１つの円形領域と、周囲の８つの開口の下に叩き加工された一つの環状の帯とをそれぞれ有している（図１６Ｃおよび図１６Ｄ）。パターン１６Ｃにおいては、叩き加工された円形領域の直径および叩き加工された帯の幅が空気取入開口の直径に等しい。パターン１６Ｄにおいては、叩き加工された円形領域の直径および叩き加工された帯の幅が空気取入開口の直径よりも４倍大きい。場合によっては、パターン１６Ａおよび１６Ｂは電流の分布という観点からは比較的合理的であるが、パターン１６Ｃおよび１６Ｄは製造の観点からはより便利である。各叩き加工パターンについて、０〜０．２の間の様々な最終的な気孔率がシミュレーションされた。
【０１０１】
ＦＥＭＬＡＢ（図１７）を用いて、三次元有限要素メッシュを３つのレイヤ上に生成させた。様々な叩き加工パターン、最終的な気孔率、および境界条件について、このメッシュ上で三次元定常状態拡散方程式を数値的に解いた。各定義域（ワットマン紙、叩き加工しないテフロン、および叩き加工したテフロン）における有効拡散係数が、方程式Ｄｅｆｆ＝Ｄε１.５によるレイヤ気孔率εに関連づけられた。空気取入開口における酸素濃度は、環境に等しいと仮定された。制限電流を決定するために用いたシミュレーションにおいては、カソード／積層テフロンの境界面における酸素濃度はゼロに設定された。それから、制限電流を決定するために流量が積分された。叩き加工されていないケースにおける制限電流もまた、一連の定電流放電を介して実験的に概算された。叩き加工されていないケースにおいて、３０ｍＡの測定値は予測値である６０ｍＡの半分であった。この相違は、拡散係数の値Ｄ、および／または酸素１モルあたりの電子のモル数ｎの値が不正確であるためと考えられる。Ｄあるいはｎのいずれかを半分にすることは、正確な制限電流を与える。全てのシミュレーションにおいてＤおよびｎが等しい効果を持つので、どちらかのパラメータを半分にすることができる。
【０１０２】
いくつかの代表的な叩き加工パターンについて、５ｍＡの電流を負荷したときの標準化された酸素分圧マップが（実験的に変更されたＤ若しくはｎを用いて）解かれた。図１８Ａおよび図１８Ｂは、叩き加工した場合および叩き加工していない場合における酸素分布のサンプルをそれぞれ示している。図１８Ａおよび図１８Ｂから判るように、空気取入開口の直下における酸素分圧は叩き加工によって減少する。これは電流分布における不均一性の減少に帰結する。
【０１０３】
図１９は制限電流への叩き加工の効果を示している。制限電流は、叩き加工されていないケースに規準化されて、全ての４つの叩き加工パターンについて最終的な気孔率に対してプロットされている。いずれの場合においても、気孔率が減少するにつれて制限電流はほぼ線形に減少する。叩き加工された領域がより多いパターンが制限電流のより大きな減少を示している。最も大きな減少は、パターン１６Ｄにおいて、０．０１％の気孔率に叩き加工した場合に見られる。この場合、制限電流は叩き加工されていないケースのそれの半分である。
【０１０４】
活性貯蔵寿命は制限電流に反比例する。したがって、制限電流は、活性貯蔵寿命に対する叩き加工の効果を予測するために用いることができる。図２０は、叩き加工しないときの貯蔵寿命に対する叩き加工したときの貯蔵寿命の比率を最終的な気孔率に対して示している。気孔率が減少するにつれて貯蔵寿命は増加する。叩き加工した領域がより多いパターンは活性貯蔵寿命のより大きな増加を示している。パターン１６Ｄにおいては、０．０１％の気孔率に叩き加工すると、活性貯蔵寿命は叩き加工しない場合のそれの２倍となる。
【０１０５】
局所電流密度の標準偏差および範囲（最小および最大値）は、電流分布の均一性の指標であると考えられる。より一様な電流分布においては、標準偏差が比較的低く、範囲が比較的狭い。検討した全てのケースにおいて電流密度の標準偏差はおおよそ同じであり、有意な傾向は認められなかった。５ｍＡの電流を負荷したときの最小局所電流密度は、検討した全てのケースにおいて同じであった。しかしながら、最大局所電流密度においてはかなりの偏差が認められた。
【０１０６】
図２１を参照すると、平均局所電流密度に対する最大局所電流密度の比率がいくつかのケースについてプロットされている。叩き加工されていないケースにおいては、最大局所電流密度が平均局所電流密度の１．１５倍であった。叩き加工のパターン１６Ａは、この最大局所電流密度に対して何の効果をも示さなかった。しかしながら、叩き加工のパターン１６Ｂにおいては、各開口の下の１６倍の領域が叩き加工されているが、５ｍＡにおける最大局所電流密度の大幅な減少が観察された。このような範囲の狭小化は、最終的な気孔率が減少するにつれてより顕著になる。最終的な気孔率が０に近づくにつれて、平均局所電流密度に対する最大局所電流密度の比率は１．０８に向かう。パターン１６Ｄもまた範囲の狭小化を示しているが、その結果はパターン１６Ｂの場合ほど大幅ではない。パターン１６Ｄにおいては、叩き加工は開口に対して対称形ではない。この非対称性は電流の不均一性の原因となる。
【０１０７】
テフロンディスクの選択的な叩き加工は、活性貯蔵寿命を大幅に延長するために用いることができる。これらの例示的なシミュレーションにおいて、叩き加工は、叩き加工しない場合における貯蔵寿命の２倍に貯蔵寿命を延長させることができる。最終的な気孔率がより小さくなり、かつ叩き加工した領域がより大きくなると、貯蔵寿命の増加もより大きくなる。この貯蔵寿命の改善は制限電流の減少を代償としている。貯蔵寿命は制限電流に反比例するからである。したがって、叩き加工のパターンを選択するときには、セルによって維持される極大電流を決定しなければならない。最大活性貯蔵寿命のためには、極大電流よりも幾分高い制限電流を与えるように叩き加工のパターンおよび気孔率を選択することができる。
【０１０８】
さらに、図１９から判るように、同じ制限電流を与える複数の叩き加工パターンおよび気孔率がある。例えば、叩き加工しない場合における制限電流の８０％に等しい制限電流を所望するときには、気孔率２％に叩き加工したパターン１６Ｃと、気孔率１１％に叩き加工したパターン１６Ｂおよびパターン１６Ｄとの全てが効果的である。実際、いくつかのパターンのみについてシミュレーションしたが、所望の制限電流を供給する無限の数のパターンおよび気孔率が考えられる。これらのうちの好ましいものを選択するためには、製造および電流分布の両方を検討しなければならない。電流分布に関し、いくつかの状況下においては、（叩き加工しない場合に）局所電流密度の高い領域を叩き加工するパターンが最適である。そのようなパターンは負荷のいくらかをこれらの領域から他の領域へと移動させることができるので、電流分布をなめらかにする。（叩き加工しない場合）電流密度が最も高い領域は開口の直ぐ下にあるので、開口からの距離が増加するにつれて電流密度は段階的に減少する。得られた結果によると、最適な叩き加工パターンは、パターン１６Ａおよびパターン１６Ｂにおけるように、開口に中心合わせされた（所望する制限電流によって決定される寸法および気孔率の）円形領域を含まなければならない。製造的な観点からこのことが実行可能でない場合には、他のパターン、例えばパターン１６Ｃおよび１６Ｄを用いることができる。場合によっては、第１に優先すべきことは適切な制限電流を選択し、それによって貯蔵寿命を最適化することであり、２番目に優先すべきことはそのような制限電流を供給するとともに製造上の制約の範囲内において電流分布をなめらかにする叩き加工パターンに選択することである。
【０１０９】
上述したように、空気取入開口の寸法は、セルの性能に影響を及ぼすように、例えば増減させて設計することができる。図２２は、空気取入開口の直径の増加の関数として、標準偏差および最大／最小値のプロットを示している。図２３は、制限電流および貯蔵寿命の変化、および電流密度の標準偏差の変化のプロットを、空気取入開口の直径の変化の関数として示している。図２４は、活性貯蔵寿命の変化および制限電流の変化のプロットを、空気取入開口直径のに変化の関数として示している。バリヤー層は最終的に５％の気孔率に変更された。変更されたパターンは、各開口の直下にある領域のみが変更された、例えば叩き加工されたパターン１６Ａと同様である。
【０１１０】
この出願において言及した全ての刊行物および特許は、各刊行物若しくは特許が参照によって組み込まれるように特別にかつ個別に指摘した場合と同じ程度において、参照によって本願明細書に組み込まれる。
【０１１１】
他の実施例は請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】電池カートリッジの実施例を示す斜視図。
【図２】電気化学セルと共に図１の電池カートリッジを示す分解斜視図。
【図３】図１の電池カートリッジの平面図。
【図４】図３の電池カートリッジの破断線４−４に沿った断面図。
【図５】図４の電池カートリッジの要部拡大図。
【図６】電気化学セルの実施例の斜視図。
【図７】図６のセルの要部破断斜視図。
【図８】図６のセルの縦断面図。
【図９】図８のセルの要部拡大図。
【図１０】セルシステムの実施例を示す斜視図。
【図１１】図１０のセルシステムの要部拡大図。
【図１２】セルパックの一実施例の模式図。
【図１３】図１２のセルパックの要部を示す模式図。
【図１４】プレナム一つ当たりのカラム数と酸素濃度との関係を示すグラフ。
【図１５】空気取入開口を設計する方法の一実施例を示すフローチャート。
【図１６Ａ】変更されたバリヤー層のシミュレーションパターンの実施例を示す図。
【図１６Ｂ】変更されたバリヤー層のシミュレーションパターンの実施例を示す図。
【図１６Ｃ】変更されたバリヤー層のシミュレーションパターンの実施例を示す図。
【図１６Ｄ】変更されたバリヤー層のシミュレーションパターンの実施例を示す図。
【図１７】ボタン電池の４５度部分の有限要素メッシュを示す図。
【図１８Ａ】変更されたバリヤー層に５ｍＡの電流を流したときの酸素分布のシミュレーションを示す図。
【図１８Ｂ】変更されたバリヤー層に５ｍＡの電流を流したときの酸素分布のシミュレーションを示す図。
【図１９】図１６Ａ〜図１６Ｄのパターンにおける最終的な気孔率と制限電流との関係を示すグラフ。
【図２０】図１６Ａ〜図１６Ｄのパターンの最終的な気孔率と変更した場合の貯蔵寿命／変更しない場合の貯蔵寿命との関係を示すグラフ。
【図２１】図１６Ａ〜図１６Ｄのパターンにおける最大電流密度／最小電流密度のグラフ。
【図２２】空気取入開口直径の増加と標準偏差および最大／最小限度との関係を示すグラフ。
【図２３】空気取入開口直径内の変化に対する制限電流および貯蔵寿命の変化および電流密度の標準偏差の変化を示すグラフ。
【図２４】空気取入開口直径の変化に対する活性寿命の変化および制限電流の変化を示すグラフ。
【図１】
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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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【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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【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１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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