(57)【要約】電池は、ハウジングと、ハウジング内の負極と、ハウジング内の正極と、正極と負極との間に設けられたセパレータと、負極とを有している。ハウジングは、正極に隣接する表面を有している。前記表面には、略非円形のガス流束を促進するようになっている長尺開口等の開口が正極の一部に形成されている。電池は、比較的高い電流密度および比較的大きい容量を与えることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内の負極と、
前記ハウジング内の正極と、
前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、
を備える電池であって、
前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有し、前記表面には、略非円形のガス流束を促進するようになっている開口が前記正極の部位に形成され、前記開口がルーバーではない電池。
【請求項２】
前記ガス流束が略楕円を成している、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記ガス流束がほぼ曲線を成している、請求項１に記載の電池。
【請求項４】
前記表面には、互いに協働して略非円形のガス流束を促進するようになっている複数の開口が形成されている、請求項１に記載の電池。
【請求項５】
前記開口が円形である、請求項４に記載の電池。
【請求項６】
前記開口が長尺である、請求項４に記載の電池。
【請求項７】
前記開口が長尺である、請求項１に記載の電池。
【請求項８】
前記開口が略直線状である、請求項７に記載の電池。
【請求項９】
前記開口が湾曲している、請求項７に記載の電池。
【請求項１０】
前記表面には、前記ハウジングに対称的に位置された複数の開口が形成されている、請求項１に記載の電池。
【請求項１１】
空気電池である、請求項１に記載の電池。
【請求項１２】
ボタン電池である、請求項１に記載の電池。
【請求項１３】
プリズム電池である、請求項１に記載の電池。
【請求項１４】
ハウジングと、
前記ハウジング内の負極と、
前記ハウジング内の正極と、
前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、
を備える電池であって、
前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有し、前記表面には、１よりも大きいアスペクト比を有する開口が形成され、前記開口がルーバーではない電池。
【請求項１５】
前記アスペクト比が約３：２から約４００：１である、請求項１４に記載の電池。
【請求項１６】
前記アスペクト比が約５：１から約５０：１である、請求項１４に記載の電池。
【請求項１７】
前記アスペクト比が約１５：１から約３０：１である、請求項１４に記載の電池。
【請求項１８】
前記アスペクト比が約１８：１から約２６：１である、請求項１４に記載の電池。
【請求項１９】
ハウジングと、
前記ハウジング内の負極と、
前記ハウジング内の正極と、
前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、
を備える電池であって、
前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有し、前記表面には長尺な開口が形成され、前記開口がルーバーではない電池。
【請求項２０】
前記開口が略矩形を成している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２１】
前記開口は、約０．００５ｍｍから約０．５０ｍｍの幅を有している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２２】
前記開口は、約０．０２ｍｍから約０．１６ｍｍの幅を有している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２３】
前記開口は、約０．０４ｍｍから約０．０８ｍｍの幅を有している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２４】
前記開口は、約０．０５ｍｍから約２０．００ｍｍの長さを有している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２５】
前記開口は、約０．２０ｍｍから約４．００ｍｍの長さを有している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２６】
前記開口は、約０．６０ｍｍから約１．２０ｍｍの長さを有している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２７】
前記開口が略直線状を成している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２８】
前記開口が湾曲している、請求項１９に記載の電池。
【請求項２９】
前記表面には、前記ハウジングに対称的に位置された複数の開口が形成されている、請求項１９に記載の電池。
【請求項３０】
ボタン電池であり、前記ハウジングは、前記表面を有する正極缶を備えている、請求項１９に記載の電池。
【請求項３１】
前記開口は、前記正極缶の中心から径方向に延びている、請求項３０に記載の電池。
【請求項３２】
前記正極缶には、前記正極缶に対称的に位置された複数の開口が形成されている、請求項３０に記載の電池。
【請求項３３】
前記表面には、対称的に位置され且つ前記ハウジングの中心から径方向に延びる４個から１２個の開口が形成されている、請求項３０に記載の電池。
【請求項３４】
前記表面には、対称的に位置され且つ前記ハウジングの中心から径方向に延びる８個から１２個の開口が形成されている、請求項３０に記載の電池。
【請求項３５】
前記正極缶には複数の列が形成され、前記各列は、同一直線上の細長い複数の開口を備えている、請求項３０に記載の電池。
【請求項３６】
前記正極には、対称的に位置され且つ前記ハウジングの中心から径方向に延びる４個から１２個の列が形成されている、請求項３５に記載の電池。
【請求項３７】
前記各列は、２個から４個の長尺な開口を備えている、請求項３６に記載の電池。
【請求項３８】
前記正極には、対称的に位置され且つ前記ハウジングの中心から径方向に延びる５個から８個の列が形成されている、請求項３５に記載の電池。
【請求項３９】
前記各列は、２個から４個の長尺な開口を備えている、請求項３８に記載の電池。
【請求項４０】
前記表面には列が形成され、前記各列は、複数の長尺な開口を備えている、請求項１９に記載の電池。
【請求項４１】
約３０秒未満で約１Ｖを上回るモバイルパルス電圧のためのグローバルシステムを形成できる空気電池。
【請求項４２】
２０秒未満で前記パルス電圧を形成できる、請求項４１に記載の空気電池。
【請求項４３】
１０秒未満で前記パルス電圧を形成できる、請求項４１に記載の空気電池。
【請求項４４】
５秒未満で前記パルス電圧を形成できる、請求項４１に記載の空気電池。
【請求項４５】
ほぼ瞬間的に前記パルス電圧を形成できる、請求項４１に記載の空気電池。
【請求項４６】
ルーバーではない長尺な開口が形成されたハウジングを備えている、請求項４１に記載の空気電池。
【請求項４７】
少なくとも約１０時間で約１Ｖ未満に降下することなくモバイル９００シミュレーションのためのグローバルシステムを受けることができる空気電池。
【請求項４８】
少なくとも約１２時間シミュレーションを受けることができる、請求項４７に記載の電池。
【請求項４９】
少なくとも約１４時間シミュレーションを受けることができる、請求項４７に記載の電池。
【請求項５０】
ルーバーではない長尺な開口が形成されたハウジングを備えている、請求項４７に記載の電池。
【請求項５１】
前記ガス流束が長尺である、請求項１に記載の電池。
【請求項５２】
円筒形電池である、請求項１に記載の電池。
【請求項５３】
円筒形電池である、請求項１４に記載の電池。
【請求項５４】
円筒形電池である、請求項１９に記載の電池。
【請求項５５】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられ、長尺な開口を備える電池と、
前記ケーシングと移動可能に係合するスライダであって、前記電池の長尺な前記開口と位置合わせ可能な長尺な開口を備えるスライダと、
を備える電池カートリッジ。
【請求項５６】
前記スライダは、前記スライダの前記開口が前記電池の前記開口と位置合わせされる第１の位置と、前記スライダの前記開口と前記電池の前記開口との位置合わせがなされない第２の位置との間で移動可能である、請求項５５に記載のカートリッジ。
【請求項５７】
前記スライダは、前記スライダの前記開口が前記電池の前記開口と部分的に位置合わせされる第３の位置へと更に移動可能である、請求項５６に記載のカートリッジ。
【請求項５８】
前記ケーシングがプリズム形状を成している、請求項５５に記載のカートリッジ。
【請求項５９】
前記ケーシングが矩形プリズムの形状を有している、請求項５８に記載のカートリッジ。
【請求項６０】
前記電池が矩形の断面積を有している、請求項５５に記載のカートリッジ。
【請求項６１】
前記電池が三角形の断面積を有している、請求項５５に記載のカートリッジ。
【請求項６２】
空気電池である、請求項１に記載の電池。
【請求項６３】
長尺な開口と、相対的に摺動できるように配置され且つ酸素を含む環境に対する露出を制御するために前記開口を変化可能に覆う空気制御部材とを有する空気電池システムを備えた電気化学電源。
【請求項６４】
ケーシングと、
前記ケーシング内に設けられた電池と、
を備えた電池カートリッジであって、
前記電池は、
第１の側と第２の側とを有する正極と、
前記正極の前記第１の側に隣接して配置された電気絶縁性を有する第１の層と、
前記第１の層に隣接して配置された負極と、
前記正極の前記第２の側に隣接して配置されるとともに、空気を透過し且つ液体を透過せず、前記電池の外面を形成する第２の層と、
前記ケーシングと移動可能に係合し、長尺な開口が形成されたスライダと、
を備えている電池カートリッジ。
【請求項６５】
前記電池が空気電池である、請求項６４に記載の電池。
【請求項６６】
前記正極が略矩形の断面を有している、請求項６４に記載の電池。
【請求項６７】
前記正極が略正方形の断面を有している、請求項６４に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、一般に、電気エネルギ源として使用される。電池は、一般に負極と呼ばれるマイナス電極と、一般に正極と呼ばれるプラス電極とを有している。負極は、酸化可能な活性材料を含んでおり、正極は、還元可能な活性材料を含み或は消費する。負極活性材料は、正極活性材料を還元することができる。負極材料と正極材料とが直接に反応することを防止するため、負極および正極は、セパレータによって互いに電気的に絶縁されている。
【０００３】
電池が携帯電話等の装置内で電気エネルギ源として使用される場合、負極と正極との電気的な接触が行なわれ、これにより、電子が装置を通じて流れ、酸化反応および還元反応がそれぞれ生じて、電力を供給することができる。負極および正極と接触した状態の水素化カリウム等の電解液は、電極間のセパレータを通じて流れ且つ放電中に電池全体にわたって電荷バランスを維持するイオンを含んでいる。
【０００４】
電池の一形態は、おおよそのサイズおよび円筒形のボタン形状を有するボタン電池である。ボタン電池において、負極および正極のための容器は、正極缶と呼ばれるカップ状の下側構造体と、正極缶内に保持された負極缶と呼ばれるカップ状の上側構造体とを有している。負極缶および正極缶は、絶縁ガスケットまたはシール等の絶縁体によって分離されている。負極缶および正極缶は、互いに重ね合わせて押し付けられており、これにより、容器を形成している。
【０００５】
空気電気化学電池においては、正極で酸素が還元され、負極で亜鉛等の金属が酸化される。酸素は、電池の外部の大気から、電池缶に形成された円形穴等の１または複数の通気口を通じて、正極に供給される。亜鉛空気電池においては、電池内での全電気化学反応により、亜鉛金属が酸化されて亜鉛イオンになり、空気からのＯ２が還元されて水酸化物イオン（ＯＨ−）になる。最終的に、亜鉛酸塩または酸化亜鉛が負極内で形成される。これらの化学的な反応が行なわれている間、電子が負極から正極へと運ばれ、電力が装置に供給される。
【０００６】
幾つかのデジタル装置、例えば遠距離通信の用途で使用されるデジタル装置は、比較的高い電圧および電流をその電気エネルギ源から必要とする。例えば、モバイルのためのグローバルシステム（ＧＳＭ）プロトコル下で動作する携帯電話等の幾つかの装置は、０．５ｍｓ間の１．４２Ａパルスおよび４．０５ｍｓ間の１３５ｍＡパルスから成る電流サイクルを要する場合がある。また、幾つかのアナログ装置は、５００ｍＡ等の高いドレイン定電流放電を要する場合がある。
【０００７】
使用中においては、活性材料の均一な放電および比較的高い放電電圧プロファイルを供給することが望ましい。また、電池の耐用年数が長いことが望ましい。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、良好な気流を電池の正極に供給する構造を有する空気電池等の電池に関する。このような電池構造は、均一且つ十分な空気を正極表面に供給することができ、これにより、放電を均一にして、活性材料の稼動率を高めることができる。また、前記電池は、比較的高い電流密度を形成し、比較的大きい容量を有することができる。前記電池は、例えば、ＧＳＭプロトコル下で動作する遠距離通信装置等、比較的高い電流密度および高い出力を必要とする用途を含む多くの用途で使用できる。
【０００９】
一態様において、本発明は、ハウジングと、前記ハウジング内の負極と、前記ハウジング内の正極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータとを有する電池を特徴とする。前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有し、前記表面には、長尺等の略非円形のガス流束を促進するようになっている開口が前記正極の部位に形成され、前記開口はルーバーではない。
【００１０】
本発明の実施形態は、１または複数の以下の特徴を有していても良い。前記ガス流束は略楕円または略曲線状を成していても良い。前記表面には、互いに協働して略非円形のガス流束を促進するようになっている複数の開口が形成されている。前記開口は、円形、長尺、略直線状、および／または湾曲していても良い。前記表面には、前記ハウジングに対称的に位置された複数の開口が形成されている。電池は、空気電池、ボタン電池、円筒形電池、または、プリズム電池であっても良い。
【００１１】
他の態様において、本発明は、ハウジングと、前記ハウジング内の負極と、前記ハウジング内の正極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータとを有する電池を特徴とする。前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有し、前記表面には、１よりも大きいアスペクト比を有する開口が形成され、前記開口はルーバーではない。
【００１２】
本発明の実施形態は、１または複数の以下の特徴を有していても良い。前記アスペクト比は、約３：２から約４００：１、約５：１から約５０：１、約１５：１から約３０：１、または、約１８：１から約２６：１である。
【００１３】
他の態様において、本発明は、ハウジングと、前記ハウジング内の負極と、前記ハウジング内の正極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータとを有する電池を特徴とする。前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有し、前記表面には長尺な開口が形成され、前記開口はルーバーではない。
【００１４】
本発明の実施形態は、１または複数の以下の特徴を有していても良い。前記開口が略矩形を成している。前記開口は、約０．００５ｍｍから約０．５０ｍｍの幅、約０．０２ｍｍから約０．１６ｍｍの幅、約０．０４ｍｍから約０．０８ｍｍの幅を有している。前記開口は、約０．０５ｍｍから約２０．００ｍｍの長さ、約０．２０ｍｍから約４．００ｍｍの長さ、または、約０．６０ｍｍから約１．２０ｍｍの長さを有している。前記開口は、略直線状を成し、あるいは、湾曲している。前記表面には、前記ハウジングに対称的に位置された複数の開口が形成されている。電池は、ボタン電池であり、前記ハウジングは、前記表面を有する正極缶を備えている。前記開口は、前記正極缶の中心から径方向に延びている。前記正極缶には、前記正極缶に対称的に位置された複数の開口が形成されている。前記表面には、対称的に位置され且つ前記ハウジングの中心から径方向に延びる４個から１２個または８個から１２個の開口が形成されている。前記正極缶には複数の列が形成され、前記各列は、同一直線上の細長い複数の開口を備えている。前記正極には、対称的に位置され且つ前記ハウジングの中心から径方向に延びる４個から１２個または５個から８個の列が形成されている。前記各列は、２個から４個の長尺な開口を備えている。前記表面には列が形成され、前記各列は、複数の長尺な開口を備えている。
【００１５】
他の態様において、本発明は、約３０秒未満で、例えば２０秒未満で、１０秒未満で、５秒未満で、ほぼ瞬間的に約１Ｖを上回るモバイルパルス電圧のためのグローバルシステムを形成できる空気電池を特徴としている。電池は、ルーバーではない長尺な開口が形成されたハウジングを有していても良い。
【００１６】
他の態様において、本発明は、少なくとも約１０時間で、例えば少なくとも約１２時間で、少なくとも約１４時間で約１Ｖ未満に降下することなくモバイル９００シミュレーションのためのグローバルシステムを受けることができる空気電池を特徴としている。電池は、ルーバーではない長尺な開口が形成されたハウジングを有していても良い。
【００１７】
他の態様において、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、長尺な開口を備える例えば空気電池等の電池と、前記ケーシングと移動可能に係合するスライダであって、前記電池の長尺な前記開口と位置合わせ可能な長尺な開口を備えるスライダとを有する電池カートリッジを特徴としている。
【００１８】
前記スライダは、前記スライダの前記開口が前記電池の前記開口と位置合わせされる第１の位置と、前記スライダの前記開口と前記電池の前記開口との位置合わせがなされない第２の位置との間で移動可能であっても良い。前記スライダは、前記スライダの前記開口が前記電池の前記開口と部分的に位置合わせされる第３の位置へと更に移動可能であっても良い。前記ケーシングは、矩形プリズム等のプリズム形状を成していても良い。前記電池が矩形の断面積または三角形の断面積を有していても良い。
【００１９】
他の態様において、本発明は、長尺な開口と、相対的に摺動できるように配置され且つ酸素を含む環境に対する露出を制御するために前記開口を変化可能に覆う空気制御部材とを有する空気電池システムを備えた電気化学電源を特徴としている。
【００２０】
他の態様において、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に設けられた電池とを有する電池カートリッジであって、前記電池は、第１の側と第２の側とを有する正極と、前記正極の前記第１の側に隣接して配置された電気絶縁性を有する第１の層と、前記第１の層に隣接して配置された負極と、前記正極の前記第２の側に隣接して配置されるとともに、空気を透過し且つ液体を透過せず、前記電池の外面を形成する第２の層と、前記ケーシングと移動可能に係合し、長尺な開口が形成されたスライダとを備えている電池カートリッジを特徴としている。前記電池は、例えば略矩形の断面または略正方形の断面を有する空気電池であっても良い。
【００２１】
他の態様において、本発明は、ハウジングと、前記ハウジング内の負極と、前記ハウジング内の正極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータとを有する電池を特徴としている。前記ハウジングは、前記正極に隣接する表面を有しており、前記表面には長尺な開口が形成されている。
【００２２】
ここで使用される「電池」は、１つの電気化学電池、または、互いに直列或は並列或は並列および直列に接続された複数の電気化学電池を意味している。
【００２３】
ここで使用される「隣接」は、近くを意味しており、直ぐ隣りを必ずしも意味していない。
【００２４】
本発明の他の特徴、目的、利点は、明細書本文、図面、特許請求の範囲から明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１に示されるように、空気ボタン電池等のボタン電池２５は、負極２と正極４とを有している。負極２は、負極缶１０と、負極ゲル６０とを有している。正極４は、正極缶２０と、正極構造体４０とを有している。負極缶１０と正極缶２０との間には、絶縁体３０が設けられている。正極構造体４０と負極ゲル６０との間には、セパレータ７０が設けられており、これにより、これら２つの構成部品同士の電気的な接触を防止している。部材７２は、電池２５から電解液が漏れ出ることを防止するのに役立っている。正極缶２０に設けられた通気スロット８０により、空気が電池２５に対して出入りすることができる。通気スロット８０と正極構造体４０との間には、空気分散部５０が設けられている。負極缶１０および正極缶２０は、互いに重ね合わせて押し付けられており、これにより、電池２５のためのハウジングを形成している。放電していない時、電池２５は、シール状態で保管されていても良く、あるいは、非シール状態で保管されていても良い。
【００２６】
図２に示されるように、正極缶２０には、電池２５のための通気口として役立つ８個のスロット８０が形成されている。スロット８０は、例えばレーザ切断によって正確に形成することができる。スロット８０は、正極缶２０のボタン側に対称的に配置分布されており、これにより、電池２５に対して空気を均一に流通させるのに役立っている。特に、スロット８０は、１９９９年８月１３日に出願された同一出願人による「空気電池容器（Ｍｅｔａｌ−Ａｉｒ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）」と題されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／３７４，２７７に記載されるようなルーバでないことが好ましい。
【００２７】
一般に、スロット８０の寸法、形状、位置は、電池２５の電圧および容量が高くなるように形成されている。どのような学説にも全く拘束されることなく、電池２５の性能は、対流制御された空気流に対する拡散制御された空気流の関数であると考えられている。したがって、比較的大きな面積を規定するスロットを正極缶２０に設けることにより、比較的大きな量の空気流束を正極４０と相互作用させることができ、これにより、電池２５は、ＧＳＭパルス等の比較的高い電圧を発生させることができる。
【００２８】
スロット８０を使用して通気口により規定される面積を大きくすると、電池２５の容量が大きくなる。どのような学説にも全く拘束されることなく、空気電池の故障の１つの原因は、前記通気口に隣接する正極の部位と隣接する前記セパレータの部位の「目詰まり」であると考えられている。亜鉛酸塩が前記セパレータ中に入り込むと、前記通気口付近のｐＨの変化に起因して、亜鉛酸塩が酸化亜鉛中に沈殿する可能性がある。この時、酸化亜鉛の濃度が大きくなるため、セパレータの局部が最終的に酸化亜鉛によって塞がり、これにより、電池の容量が低下する可能性がある。したがって、電池２５内に流入する拡散空気流束を拡散または広げる通気口を正極缶２０に設けることにより、セパレータを詰まらせる酸化亜鉛を形成し且つ電池２５の容量を低下させる可能性がある亜鉛酸塩濃度の局部集中を最小に抑えることができる。
【００２９】
一般に、スロット８０によって規定される全面積を大きくすると、例えば各スロットにより規定される面積およびスロットの数を増やすと、電池２５の容量が減少する可能性がある。例えば、電池をシールしないままの状態にしておくと、二酸化炭素が二酸化カリウム電解液と反応して、炭酸カリウム（「炭酸化作用」）を形成する可能性があり、また、電解液から水が蒸発するため、電池が乾燥する可能性がある（「乾燥」）。しかしながら、スロット８０によって規定される経路長が増大することにより、通気口面積に比例して拡散流束が増え、セパレータの目詰まりが最小に抑えられるため、電池２５の負極の稼働率は、例えば、０．６ｍｍ直径の円形の穴を４つ設けた場合、２５ｍＷの一定の電力、１．０Ｖの放電で、０％から最大で約６５％まで増大し得ると考えられている。それにもかかわらず、炭酸化作用および乾燥が容量の増大を上回る可能性があるため、スロット８０によって規定される全面積には上限がある。
【００３０】
すなわち、空気に対する露出が不足すると、十分な量の酸素が正極と接触できないため、最適な電池性能が決して得られない（例えば電力が不十分になる）。空気に対する露出が過度になると、電池内の材料の劣化が早まる可能性がある。いずれの状態も、電池性能を悪化させる可能性がある。
【００３１】
前記通気口を通じた空気の拡散を研究することは、通気口の良好な設計に役立ち得る。図３および図４は、円形の通気口およびスロットがそれぞれ形成された正極缶における空気流束の等高線プロットを示している。これらの等高線プロットは、Ｆｌｕｅｎｔ社から入手できるＦＩＤＡＰ  ｖ．  ８．５０等のフローモデリングツールを使用する計算流体力学（ＣＦＤ）モデリングによって形成した。ＦＩＤＡＰ  ｖ．  ８．５０ソフトウエアは、付録Ａに記載されるように、酸素供給のシミュレーションのために使用された。付録Ａの全内容は、これを参照することによって本願に組み込まれる。
【００３２】
図３に示されるように、円形の通気口（直径０．６ｍｍ）は、この通気口の近傍にある正極の部位において、円形の空気（または酸素）の流れ（流束）を促進し或は形成している。通気口の真下の正極部位（参照符号「Ｊ」が付されている）は、酸素流束が比較的高い領域を示している。この酸素流束は、通気口から径方向に離れるにつれて減少する。アルファベット文字を下げる（ＪからＡ）ことにより、酸素流束が減少していることを表わしている。下位のアルファベット文字が付された領域は、酸素が不足していると考えられる。例えば、正極によって消費することができる全酸素は、利用できる酸素を上回っている。上位のアルファベット文字は、酸素が豊富な領域であると考えられる。この領域では、酸素濃度が高い正極の領域に最も近いセパレータの領域で、酸化亜鉛の局部的な沈殿が増える可能性があり、その結果、セパレータの閉塞または目詰まりが生じ、これにより、電池の容量が低下する虞がある。
【００３３】
これに対し、図４には、スロット（幅が０．０４ｍｍ、長さが２．７０ｍｍ）が示されている。このスロットは、このスロットの近傍にある正極の部位において、非円形の拡散された酸素の流れ（流束）を促進し或は形成している。酸素の流束は、スロットの下側の正極部位の近傍で比較的大きく、スロットから大きく離れた正極部位においては減少している。しかしながら、一般に、スロットは、サンプルの場合、円形の前記通気口と異なり、酸素流束全体を正極において拡散させる。酸素流束を拡散させると、セパレータを塞ぐ酸化亜鉛を形成する虞がある亜鉛酸塩濃度の局部集中が最小限に抑えられると考えられる。また、これによって、活性材料の消費を高め、容量を大きくすることができる。また、スロットによって、比較的大きな拡散された酸素流束を電池内に流入させることができるとともに、電池の電流密度を大きくすることができる。
【００３４】
したがって、スロット８０は、一般に、正極４０の一部に非円形の酸素流束を与えるように形成される。スロット８０は、例えば長円形の開口、楕円形の開口といった長尺な開口である。スロット８０は、角が鋭い或は角が曲がっている矩形等の平行四辺形のような形状を成していても良い。スロット８０は、平行な辺または非平行な辺を有していても良い。スロット８０の端部は、曲がっていても良く、あるいは、半円または直線であっても良いが、これらの形状に限定されない。
【００３５】
正極４０における酸素流束は、一般に、長尺であり、例えば略長円形状、略楕円形状、略アーチ形状、または、略競技場のような形状を有しており、例えば、長尺な周辺と、略平行な一対の端部とを有している。非円形の酸素流束の一例が図４に示されている。
【００３６】
図４から図９は、非円形酸素流束を形成することができる直線状のスロットの形状の幾つかの例を示している。図４から図７に示されるように、非円形の酸素流束は、様々な長さのスロットを使用して、例えば様々な長尺度合及び拡散率の酸素流束を作ることによって形成することができる。酸素流束の長尺度合及び拡散率は、電流密度および容量に影響を与える。図６は、比較的短いスロットを示しており、ここでは、図４に示されるスロットの長さの１／２のスロットを示している。図７は、図４に示されるスロットの長さの１／４のスロットを示している。また、図５は、図４に示されるスロットの長さの３／４のスロットを示している。図９は、重なり合わない非円形の酸素流束を形成する２つのスロットを示している。図８は、図９に示されるスロットよりも互いに接近しており、したがって、酸素流束全体が大きい２つのスロットを示している。これら２つのスロットは、互いに協働して、１つの長尺な非円形の酸素流束を正極に形成する。一般に、スロットは、任意の形状および寸法であっても良く、あるいは、電池の性能を高める任意の場所に形成することができる。例えば、図１１は、非直線状の、例えば曲がった複数のスロットを組み合わせて使用して、非円形の酸素流束を正極に形成できることを示している。また、これらの非直線状のスロットは、図８および図９に示される直線状のスロットのように分断されていても良い。
【００３７】
スロット８０の特定の配置構成、例えばスロット８０の数、位置、形状、サイズは、複数のパラメータに関与している。これらのパラメータには、例えば高、中、低といった適用電力需要；例えばアナログ、デジタルといった動作モード；例えば速度能力、気孔率、層の数といった正極特性；例えば形状因子（ボタン、プリズム、円筒）、空気充満空間の高さ、正極缶壁厚さといった電池形成パラメータ；例えば単一電池や複合電池パックといった最終用途の実施形態；例えば１つ又は複数の面を持ったもの、あるいは、別の空気管理システムを有するか否かといった最終実施形態の通気形状が含まれるが、これらに限定されない。特に動作モードおよび装置の電力要求は、通気形状要件に大きな影響を与える可能性があり、例えば、携帯電話で使用されるＧＳＭプロトコルは、高電流と低電流とを交互に流す比較的急速なパルス周波数を有している。また、幾つかのデジタル装置は、機能するために特定の電圧を必要とし、一方、幾つかのアナログ装置は、故障する前に、性能が徐々に低下する。また、異なる形態の正極は、電流密度能力等の性能が異なっていても良い。特定の放電条件下で最適な性能を得るために、例えば１．１Ｖで４０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を与えることができる正極は、例えば１．１Ｖで７０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を与えることができる正極とは異なるスロット形状を必要としていても良い。所定の電圧レベルにおいて同様の出力電流を得るため、１．１Ｖで４０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を与えることができる正極は、一般に、１．１Ｖで７０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を与えることができる正極よりも大きい表面酸素被覆率（ｓｕｒｆａｃｅ  ｏｘｙｇｅｎ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）を必要とする。しかしながら、表面積同士を比較すると、スロットは、一般に、正極の最大電流密度が穴によって達成されるまで、穴に比べて比較的高い限界電流性能を与える。例えば、一般的には、所定の電圧で正極が与えることができる最大電流がある。空気電池の場合、最大電流密度は、特に、酸素分布によって左右される。小さい表面積または大きい表面積を規定する十分に円形な穴を使用して、この最大電流密度を得ることができる。円形穴によって最大電流密度が得られると、一般に、スロットによってこの性能を超えることができない。しかしながら、円形穴と比べて、スロットは、一般に、より少ない表面積を規定することにより、最大電流密度を得ることができる。
【００３８】
また、スロット８０の幅および長さは、電池２５のサイズによって決まる正極缶２０のサイズに応じたものであっても良い。一般に、各スロット８０の幅は、約０．００５ｍｍから約０．５０ｍｍ、好ましくは約０．０２ｍｍから約０．１６ｍｍ、更に好ましくは約０．０４ｍｍから約０．０８ｍｍである。一般に、スロット８０の長さは、様々であり、約０．０５ｍｍから約２０．００ｍｍ、好ましくは約０．２０ｍｍから約４．００ｍｍ、更に好ましくは約０．６０ｍｍから約１．２０ｍｍである。例えば、６７５電池（ＩＥＣ指定「ＰＲ４４」）の場合、各スロット８０は、幅が約０．０４ｍｍから約０．０８ｍｍで、長さが約０．６０ｍｍから約３．００ｍｍであることが好ましい。
【００３９】
また、スロット８０の形状は、アスペクト比にしたがって表わされても良い。図１０に示されるように、スロット８０のアスペクト比は、その中心におけるスロットの長さ（線Ｂ）に対する、その中心におけるスロットの幅（線Ａ）の割合として規定される。例えば、円形開口のアスペクト比は１：１である。スロット８０のアスペクト比は、一般に、１：１よりも大きく、約３：２から約４００：１、好ましくは約５：１から約５０：１、更に好ましくは約１５：１から約３０：１と様々である。
【００４０】
前述したスロット８０以外に、他の形状の通気口を使用して、長尺で拡散した酸素流束を形成することができる。例えば、図１１は、複数の湾曲したスロット１１０を形成する正極缶を示している。湾曲したスロット１１０は、スロット８０と同様に形成されていても良い。図１２は、円形の通気口によって長尺で拡散した酸素流束を形成できることを示している。これらの円形の通気口は、それらの個々の酸素流束が部分的に重なり合って図１０の例と同様な１つの長尺な非円形酸素流束を作るように形成されて配置されている。ボタン電池の場合、径方向に広がる楔形状のスロットであって、その中心で端部が狭いスロットは、電池の中心部に供給すべき酸素の量が電池の周辺部に供給すべき酸素の量よりも少なくて済む幾何学的構成を空気充満空間が有しているため、役に立つ場合がある。
【００４１】
次に、電池２５の他の特徴について説明する。
【００４２】
負極缶１０は、トリクラッド（ｔｒｉ−ｃｌａｄ）またはバイクラッド（ｂｉ−ｃｌａｄ）材料を含んでいる。バイクラッド材料は、一般に、銅から成る内面を有するステンレススチールである。トリクラッド材料は、缶の内面上に銅層を有し且つ缶の外面上にニッケル層を有するステンレススチールから成る。負極缶１０は、負極ゲル６０と接触する内面上に、スズまたはスズ合金あるいは他の物質から成る表面を有していても良い。スズは、亜鉛負極および電解液と接触する負極缶の内面上にあることが好ましい。スズは、缶の内面上の連続した層であっても良い。スズ層は、厚さが約１から１２ミクロン、好ましくは約２から７ミクロン、更に好ましくは約４ミクロンのメッキ層であっても良い。スズは、金属ストリップ上に前メッキ処理（ｐｒｅ−ｐｌａｔｅｄ）され、あるいは、負極缶上に後メッキ処理（ｐｏｓｔ−ｐｌａｔｅｄ）されても良い。例えば、スズは、浸せきメッキ法（例えば、ロードアイランド州のＴｅｃｈｎｉｃｓから入手できるメッキ溶液を使用して）により堆積されても良い。メッキ層は、ブライト仕上げまたはマット仕上げが施されても良い。また、コーティングには、銀化合物または金化合物が含まれていても良い。
【００４３】
正極缶２０は、ニッケルの内外層を有する冷延鋼板から成る。負極缶１０と正極缶２０との間には、絶縁ガスケット等の絶縁体が圧入されている。このガスケットは、電池の容量を高めるために薄くされている。
【００４４】
缶形状は、直線状の壁の形態を成していても良い。この場合、負極缶１０の側壁は、直線形状またはフォールドオーバー（ｆｏｌｄｏｖｅｒ）形状である。フォールドオーバー形状は、壁厚が薄い缶、例えば約４ミクロン以下の壁厚を有する缶の場合に好ましい。フォールドオーバー形状において、缶の打ち抜き加工中に形成される負極缶１０のクリップオフ端部は、上端、缶の外側、缶の内部から離れた部位に配置される。フォールドオーバー形状は、負極缶のクリップオフ端部で露出するステンレススチールと亜鉛とが接触する可能性を減らすことにより、ガスが発生する可能性を減らすことができる。直線状の壁形状は、Ｌ字状またはＪ字状の絶縁体と共に使用することができる。Ｊ字形状の絶縁体は、その脚部中にクリップオフ端部を埋設することができるため、好ましい。フォールドオーバー形状を用いると、絶縁体はＬ字状となり得る。
【００４５】
電池全体の高さおよび直径の寸法は、国際電子技術委員会（ＩＥＣ）によって仕様が定められる。ボタン電池２５は、様々なサイズを有することができる。すなわち、６７５電池（ＩＥＣ指定「ＰＲ４４」）は、直径が約１１．２５から１１．６０ミリメートルであり、高さが約５．０から５．４ミリメートルである。１３電池（ＩＥＣ指定「ＰＲ４８」）は、直径が約７．５５から７．９ミリメートルであり、高さが約５．０から５．４ミリメートルである。３１２電池（ＩＥＣ指定「ＰＲ４１」）は、直径が約７．５５から７．９ミリメートルであり、高さが約３．３から３．６ミリメートルである。１０電池（ＩＥＣ指定「ＰＲ７０」）は、直径が約５．５５から５．８０ミリメートルであり、高さが約３．３０から３．６０ミリメートルである。５電池は、直径が約５．５５から５．８０ミリメートルであり、高さが約２．０３から２．１６ミリメートルである。電池２５は、負極缶の厚さが約０．１０１６ｍｍであっても良い。電池２５は、正極缶の厚さが約０．１０１６ｍｍであっても良い。
【００４６】
一般に、通気口８０は、保管中、シールタブとして一般に知られている除去可能なシートによって覆われる。このシートは、正極缶２０の底部に設けられて通気口を覆い、ボタン電池２５の内部と外部との間での空気の流れを防止する。ユーザは、使用前に、正極缶２０からシールタブをはがして、電池を使える状態にする。これにより、空気中の酸素を外部環境からボタン電池２５の内部へと引き込むことができる。
【００４７】
正極構造体４０は、活性正極混合物と、正極缶２０と電気的に接触するカレントコレクタ（電流収集体）とを有していても良い。活性正極混合物は、酸素を還元する触媒、例えばマンガン化合物、カーボン粒子、結合剤を含んでいても良い。有用な触媒は、例えばマンガン硝酸塩を加熱することによって或は過マンガン酸カリウムを還元することによって形成することができるＭｎ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４，ＭｎＯ２等の酸化マンガンを含む。正極構造体４０は、重量で、約１％から約１０％、好ましくは約３％から約５％の触媒を含んでいる。
【００４８】
カーボン粒子は、任意の特定のタイプのカーボンに限定されない。カーボンの例は、ブラックパール２０００、バルカンＸＣ−７２（マサチューセッツ州のＢｉｌｌｅｒｉｃａにあるＣａｂｏｒ社）、Ｓｈａｗｉｎｉｇａｎ  Ｂｌａｃｋ（カリフォルニア州のサンフランシスコにあるＣｈｅｖｒｏｎ）、Ｐｒｉｎｔｅｘ，  Ｋｅｔｊｅｎ  Ｂｌａｃｋ（イリノイ州のシカゴにあるＡｋｚｏ  Ｎｏｂｅｌ）、Ｃａｌｇｏｎ  ＰＷＡ（ペンシルベニア州のピッツバーグにあるＣａｌｇｏｎ  Ｃａｒｂｏｎ）である。一般に、正極混合物に含まれるカーボン全体は、重量で、約３０％から約７０％、好ましくは約５０％から約６０％である。
【００４９】
結合剤の例は、ポリエチレン粉末、ポリアクリルアミド、ポートランドセメント、フッ化ビニリデン樹脂やポリテトラフルオロエチレン等のフルオロカーボン樹脂を含んでいる。ポリエチレン結合剤の一例は、Ｃｏａｔｈｙｌｅｎｅ  ＨＡ−１６８１（Ｈｏｅｃｈｓｔ）の商品名で売られている。好ましい結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含んでいる。一般に、正極混合物は、重量で、約１０％から約４０％、好ましくは約３０％から約４０％の結合剤を含んでいる。
【００５０】
正極混合物は、触媒、カーボン粒子、結合剤を混合することによって形成され、その後、金属メッシュスクリーン等のカレントコレクタ上にコーティングされて正極構造体４０を形成する。正極混合物が硬化された後、残留する任意の揮発性物質を除去するために正極構造体４０が加熱される。
【００５１】
正極構造体４０の内側には、正極構造体に隣接してセパレータ７０が配置されている。セパレータ７０は、電解液を正極構造体４０と接触させることができるポリプロピレン等の多孔質で且つ電気的に絶縁された高分子であっても良い。
【００５２】
正極構造体４０の外側には、正極構造体に隣接して膜７２が配置されている。この膜７２は、空気を透過し且つ液体を透過しない。膜７２、例えばＰＴＦＥ膜は、電池２５内の湿度を一定のレベルに保つのに役立つ。また、膜７２は、電解液が電池から漏れ出ることを防止するとともに、ＣＯ２が電池内に漏れることを防止するのに役立つ。
【００５３】
空気分散部５０は、膜７２と正極缶２０との間に空気拡散空間を維持するのに役立つ多孔紙等の多孔質材料または繊維材料である。
【００５４】
負極ゲル６０は、亜鉛と電解液との混合物を含んでいる。亜鉛と電解液とから成る混合物は、電池からの電解液の漏れを防止し且つ負極内で亜鉛粒子を浮遊（懸濁）させるのに役立つゲル化剤を含んでいても良い。
【００５５】
亜鉛材料は、鉛、インジウム、アルミニウム、ビスマスと混合されて合金にされる亜鉛粉末であっても良い。例えば、亜鉛は、約４００から６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）の鉛、約４００から６００ｐｐｍ（例えば５００ｐｐｍ）のインジウム、または、約５０から９０ｐｐｍ（例えば７０ｐｐｍ）のアルミニウムと混合されて合金にされても良い。好ましくは、亜鉛材料は、鉛、インジウムおよびアルミニウム、鉛およびインジウム、または、鉛およびビスマスを含んでいても良い。また、亜鉛は、他の金属添加剤を有することなく、鉛を含んでいても良い。亜鉛材料は、空気吹き亜鉛またはエアースパン亜鉛（ａｉｒ  ｂｌｏｗｎ  ｏｒ  ｓｐｕｎ  ｚｉｎｃ）であっても良い。適した亜鉛粒子は、例えば、１９９８年９月１８日に出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／１５６，９１５、１９９７年８月１日に出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０８／９０５，２５４、１９９８年７月１５日に出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／１１５，８６７に記載されており、これらの各内容は、これらを参照することにより、本願に組み込まれる。
【００５６】
亜鉛の粒子は、球状または非球状であっても良い。例えば、亜鉛粒子は、針形状（アスペクト比が少なくとも２）を成していても良い。亜鉛材料は、約６０から３２５メッシュのサイズを有する多数の粒子を含んでいる。例えば、亜鉛材料は、以下の粒子サイズ分布（粒度分布）を有していても良い。
６０メッシュスクリーンで０−３ｗｔ％
１００メッシュスクリーンで４０−６０ｗｔ％
２００メッシュスクリーンで３０−５０ｗｔ％
３２５メッシュスクリーンで０−３ｗｔ％
パンで０−０．５ｗｔ％
適した亜鉛材料は、Ｕｎｉｏｎ  Ｍｉｎｉｅｒｅ（ベルギーのＯｖｅｒｐｅｌｔ）、Ｄｕｒａｃｅｌｌ（米国）、Ｎｏｒａｎｄａ（米国）、Ｇｒｉｌｌｏ（ドイツ）、または、Ｔｏｈｏ  Ｚｉｎｃ（日本）から入手できる亜鉛を含んでいる。
【００５７】
ゲル化剤は、吸収剤ポリアクリレートである。この吸収剤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、ゲル化剤のグラム当たり、約３０グラム未満の塩から成る吸収性封入体を有している。米国特許第４，５４１，８７１号のこの内容は、これを参照することによって本願に組み込まれる。負極混合物が亜鉛である場合、負極ゲルは、乾燥重量で１％未満のゲル化剤を含んでいる。ゲル化剤含有量は、好ましくは約０．２から０．８重量パーセント、更に好ましくは約０．３から０．６重量％、最も好ましくは約０．３３重量パーセントである。吸収剤ポリアクリレートは、懸濁重合によって形成されたナトリウムポリアクリレートであっても良い。適したナトリウムポリアクリレートは、約１０５から１８０ミクロンの平均粒径を有するとともに、約７．５のｐＨを有している。適したゲル化剤は、例えば、米国特許第４，５４１，８７１号、米国特許第４，５９０，２２７号、または、米国特許第４，５０７，４３８号に記載されている。
【００５８】
特定の実施形態において、負極ゲルは、非イオン界面活性剤を含んでいても良い。前記界面活性剤は、亜鉛表面上にコーティングされた非イオンアルキルリン酸塩または非イオンアリールリン酸塩（例えば、Ｒｏｈｍ  ＆  Ｈａａｓから入手できるＲＡ６００またはＲＭ５１０）等の非イオンリン酸塩界面活性剤であっても良い。負極ゲルは、亜鉛材料の表面上にコーティングされた約２０から１００ｐｐｍの界面活性剤を含んでいても良い。界面活性剤は、ガス発生抑制剤として機能することができる。
【００５９】
電解液は、水酸化カリウム水溶液であっても良い。電解液は、約３０から４０％、好ましくは３５から４０％の水酸化カリウムを含んでいても良い。また、電解液は、約１から２％の酸化亜鉛を含んでいても良い。
【００６０】
空気電池の他の実施形態は、例えば、１９９９年１０月２６日に出願された同一出願人による「空気電気化学電池のための正極」と題されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．  ０９／４２７，３７１に記載されている。Ｕ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．  ０９／４２７，３７１の内容は、これを参照することによって本願に組み込まれる。また、ここに記載された正極は、プリズム電池等の他の電池形態で使用できる。
【００６１】
幾つかの実施形態において、電池２５は、ボタン電池以外の形態、例えばプリズム電池（図１３）、図１４に示される流束等高線プロット、円筒形電池（図１５）、長円電池の形態を成していても良い。例えば、円筒形電池は、６つの等しい間隔のスロット列を有していても良い。各スロット列は、電池の上端から下端に向って直線状に並ぶ３個のスロットから成り、あるいは、電池の上端から下端に向って直線状に並ぶ１２個のスロットから成る。スロットの配置および数は、Ｕ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．  ０９／３７４，２７７に記載されたルーバーの配置および数と同様であっても良い。また、電池２５は、例えば、エアーリカバリー電池またはエアーアシスト電池であっても良い。幾つかの実施形態において、スロット８０は、缶無し電池や位置合わせ可能であり、正極構造に隣接したスロットを有する空気電池等の単一の電池または複数の電池を収容することができるプラスチック製または金属製のカートリッジに設けられる（図１６）。そのような実施形態は、２０００年８月２０日に出願された同一出願人による「バッテリーシステム」と題されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．  ０９／６９３，０１０、および、２００１年２月１日に提出された「バッテリー」と題する仮出願第 号に記載されている。これら全て出願の内容は、これらを参照することにより、本願に組み込まれる。幾つかの実施形態において、カートリッジは、ダブルカソード電池を収容していても良い。この場合、スロットは、カートリッジの前面および裏面の両方に設けられていても良い。
【００６２】
幾つかの実施形態において、電池２５は、複数のシールタブを有している。電池を使用するために、ユーザは、一方のシールタブを除去して、一組の通気口を露出させる。これらの露出した通気口の近傍でセパレータが塞がれるようになると、ユーザは、他方のシールタブを除去して、他の組の通気口を露出させることにより、電池を使用し続けることができる。
【００６３】
この出願で言及した全ての公報および特許は、各公報および特許が具体的に且つ個々に参照されて本願に組み込まれる場合と同じ程度に参照されて本願に組み込まれる。
【００６４】
以下の実施例は、単なる一例であり、これに限定しようとするものではない。
【００６５】
（実施例）
ニッケルメッキされたスチール６７５（ＩＥＣ  ＰＲ４４）サイズの未使用の正極缶に様々なスロット形状をレーザ切断することにより、実験用の通気構造を形成した。スロットを正極缶の中心部から放射状に延在させ、また、各スロットを２つの隣り合うスロットから所定位置で等距離にした。スロット（０．０４ｍｍ幅）は、以下の幾つかの形状、すなわち、３．５６ｍｍの長さの６個の湾曲したスロットであって、スロット全体の面積が０．８５５ｍｍ２；３．５６ｍｍの６個の湾曲したスロットであって、中央の１．１９ｍｍが除去されておらず（すなわち、２つ一組になった１．１９ｍｍの１２個のスロット）、スロット全体の面積が０．５６４ｍｍ２；２．７０ｍｍの直線状の８個のスロットであって、スロット全体の面積が０．８６３ｍｍ２；にカットされた。
【００６６】
実験用の正極缶を、互いに無作為に混ぜるとともに、０．６ｍｍの４個の穴を有し且つスロット全体の面積が１．１３１ｍｍ２である制御群と混ぜた。セルロース系の空気拡散層、ＰＴＦＥ空気拡散層、予め組み立てられた正極プラークをストリップから打ち抜いて正極缶とし、正極サブアセブリを形成した。その後、正極サブアセンブリを生産ラインに搬送し、６７５（ＩＥＣ  ＰＲ４４）電池を形成した。
【００６７】
２０℃で放電試験を行なった。Ｍａｃｃｏｒシリーズ４０００データロガーを使用して、データを収集した。１．０Ｖの終点電圧を使用して、１０から３０ｍＷの範囲で一連の連続する一定の電力試験を行なった。また、擬似ＧＳＭ９００放電を行なった。以下のように連続してパルス電流を供給した。すなわち、０．５５ｍｓ間９８ｍＡを供給し、４．０５ｍｓ間９．３ｍＡを供給した。
【００６８】
図１７は、前述した電池の複数の実施形態における容量Ｒａｇｏｎｅプロット（出力密度対比出力）である。図１７は、全体の表面積が少なくとも２４％を上回る４つの円形の穴構造と比較した、比出力レベルが３０Ｗ／１以上の向上したエネルギ密度が与えられたスロット通気構造を示している。
【００６９】
図１８は、一定の電力放出下での前述した電池の複数の実施形態の負極稼動率を示している。エネルギ密度の向上は、２０から３０ｍＷの一定の電力放出での負極稼動率の向上に関係している。また、図１８は、特に、スロットを有する６７５サイズのボタン電池が比較的高い電力出力、例えば約２０から約２７．５ミリワットの電力出力を形成できることを示している。
【００７０】
図１９は、約１．０Ｖを超える電池の複数の実施形態の複数のサンプルに関するＧＳＭ９００高パルス電圧における時間（秒）のプロットである。図１９は、この状況下で電池電圧が約１．０Ｖ上昇する時間が、スロット通気構造において短くなることを示している。試験電池の場合、スロットを有する電池は、著しい遅れを生じることなく、１．０Ｖを超えるＧＳＭ高パルス電圧を形成することができた。
【００７１】
図２０は、約１．０Ｖを下回るまで減少するべく、ＧＳＭ９００シミュレーション下での、電池の複数の実施形態の実行電圧における時間（秒）のプロットである。スロット通気構造を有する電池は、一般に、比較的長い耐用年数を有しており、したがって、容量が大きい。
【００７２】
他の実施形態は、請求の範囲に記載されている。
【００７３】
付録Ａ
亜鉛空気電池
１．序文
以下の項目は、空気電池の正極缶開口を通じた対流、酸素拡散、気流のＣＦＤシミュレーションのために使用される幾つかの理論を述べている。境界条件および仮定について説明する。
【００７４】
２．保存方程式
空気電池が放電状態の時、空気電池は、酸素を消費して、酸化亜鉛を形成する。周囲環境が酸素を供給するため、電池の全体の質量が増加する。流体力学解析のためには、缶と正極との間にある充満空間（プレナム）内のガスの体積だけが問題であり、この体積は一定であると見なされる。充満空間内のガスは、質量保存の法則に従う。
【００７５】
２．１  質量保存方程式
質量保存方程式は、［Ｆｌｕｅｎｔ，  １９９８］の形式を有している。
【数１】
2004521449.tif 000003
ここで、ρは密度（ｇ／ｃｍ３）であり、ｕｘ、ｕｙ、ｕｚは、各方向ｘ、ｙ、ｚにおける速度成分（ｃｍ／ｓ）である。
【００７６】
２．２  Ｎ種に関する流体の質量保存
流体中のＮ種のうちの１つにおける質量保存方程式は［Ｆｌｕｅｎｔ，  １９９８］である。
【数２】
2004521449.tif 000004
ここで、ρは種ｎ（ｎ＝１．．．．．Ｎ）の濃度（質量分率での濃度）であり、ｑｃｎはソースターム（ｇ／ｃｍ３・ｓ）であり、ｊｎは、ｓ（ｓ＝ｘ、ｙ、ｚ）方向でのフィックの第１の拡散法則［Ｃｒｏｗ，  １９９４］によって表わされる拡散質量流束（ｇ／ｃｍ２・ｓ）
【数３】
2004521449.tif 000005
ここで、Ｄｎ（または、幾つかの文献では、αｎ）は、種ｎの質力拡散係数または拡散率（ｃｍ２／ｓ）である。
【００７７】
２．３  モーメント保存
ｓ方向でのモーメント方程式のナビエ−ストークス形式は［Ｚｈａｎｇ，  １９８６］である。
【数４】
2004521449.tif 000006
ここで、μは動粘性係数、ｐは圧力、ｆｘ、ｆｙ、ｆｚは各方向ｘ、ｙ、ｚでの単位質量当たりの実質に働く力である。ガス伝達の解析のため、実質に働く力を省くことができる。
【００７８】
３．状態方程式
理想的なガスの場合、状態方程式は［Ｚｈａｎｇ，  １９８６］である。
【数５】
2004521449.tif 000007
ここで、Ｍはガスの分子量、Ｒは一般ガス定数である。
【００７９】
Ｎ種を有する理想的なガス混合物の場合、以下の式が得られる。
【数６】
2004521449.tif 000008
【数７】
2004521449.tif 000009
ガスの全密度は、
【数８】
2004521449.tif 000010
ここで、ρｎ＝ρｃｎは、種ｎの密度（ｇ／ｃｍ３）である。
【００８０】
４．分圧
状態方程、方程式（３．１）から、全圧は、
【数９】
2004521449.tif 000011
【数１０】
2004521449.tif 000012
この時、種ｎの分圧は、
【数１１】
2004521449.tif 000013
ここで、Ｒｎは、種ｎにおけるガス定数である。
【００８１】
ガス中の種における分圧の変化は、異なる位置にある種の違いを示している。ガスは、その内容物の違いを減らして均一にする傾向がある。種の分子は、ガスが均一になるまで、高密度の場所から低密度の場所へと移動する。これは、拡散プロセスであり、分圧において書かれたフィックの第１の法則すなわち方程式（２．１）によって説明される。
【数１２】
2004521449.tif 000014
この方程式は、分圧が実際の圧力のように振舞うことを示している。単位時間中における単位面積当たりの質量流束は、流束の方向での分圧勾配に比例する。
【００８２】
正極缶と正極表面との間でガスにより占められる充満空間の容積はＶである。温度はＴである。時間ｔ＝０で、充満空間内のガスの状態は、その初期の状態、すなわち周囲と同じ状態である。方程式（３．１）から、以下の式が得られる。
【数１３】
2004521449.tif 000015
ここで、ｐａ、Ｒａ、ｍａはそれぞれ、ｔ＝０での充満空間内のガスの全圧力、ガス定数、質量である。全圧力は、酸素および窒素の分圧の合計として表わすことができる（ここで、窒素は、窒素の成分と、酸素を除く他のガスとを含む）。この時、方程式（４．１）から、以下の式が得られる。
【数１４】
2004521449.tif 000016
５．酸素消費率
電池の酸素の消費率がｂ（ｇ／ｓ）であると仮定すると、充満空間内の酸素質量ｍ０（ｇ）は、初期の質量ｍｏａと消費された酸素Δｍｏとの差に等しい。
【数１５】
2004521449.tif 000017
ファラデーの第１の法則［Ｍｏｏｒｅ，  １９７２］を参照すると、
【数１６】
2004521449.tif 000018
ここで、Ｉは電池電流、ｚは電子の電荷数、Ｆはファラデー定数である。
【００８３】
酸素消費率と電流との関係は、
【数１７】
2004521449.tif 000019
したがって、酸素質量は、方程式（５．１）から、以下のようになる。
【数１８】
2004521449.tif 000020
６．空気電池の差圧
差圧Δｐは、保存のための原動力である。空気電池の場合、差圧は、空気電極の還元プロセスによって形成される充満空間内の真空度である。
【００８４】
６．１  シールされた正極缶において
シール状態で放電された空気電池を考える。時間ｔ＝Δｔで、充満空間内の全圧は、方程式（４．１）により、
【数１９】
2004521449.tif 000021
充満空間内においては、酸素だけが消費される。充満空間内に余分の気流が無い場合、窒素質量ｍｎ＝ｍｎａである。
【００８５】
方程式（６．１）で分かった全ての値を使用すると、差圧は、
【数２０】
2004521449.tif 000022
内部の全ての酸素が消費されると、すなわち、ｍ０＝０になると、電池が形成できる最大真空度は、Δｐｍａｘ＝０．１８９６ｐａである。
【００８６】
方程式（６．２）のｍ０を方程式（５．３）の電流との関係に置き代えると、電流Ｉ（ｍＡ）との関係における差圧は、以下のようになる。
【数２１】
2004521449.tif 000023
６．２  通気ポートを有する缶において
通気ポートを通じた気流速がＱｆ（ｃｍ３／ｓ）である場合、充満空間内に流入する空気の質量は、
【数２２】
2004521449.tif 000024
充満空間内での質量増加に伴う分圧増加は、方程式（４．２）を適用すると、
【数２３】
2004521449.tif 000025
全体の差圧は、
【数２４】
2004521449.tif 000026
この方程式の条件は、Δｐ≦０である。Δｐ＝０であるとすると、
【数２５】
2004521449.tif 000027
これは、ポンプ等の他の力が無いという条件下で電流を形成できる最大の気流速である。全酸素消費量に対する酸素供給量の割合は、
【数２６】
2004521449.tif 000028
したがって、対流による最大酸素割合は１９％である。残りの８１％の酸素は、拡散によって供給される。対流それ自体は、酸素の多くに寄与しないが、電池性能に対する対流の影響は、拡散におけるその効果によって示され得る。
【００８７】
６．３  試験データとの比較
以下は、文献［Ｏｈｔａ，  １９７７］で公表された一組の試験データを用いた差圧の理論解析の使用を示す例である。酸素の電気化学的な還元として試験空気電池の差圧変化を測定するために試験が行なわれた。９．３×１０−１６ｃｍ３／ｓの漏れをもって電池を部分的にシールした。充満空間の容積はＶ＝８．１ｃｍ３／ｓであって。電池の一定の放電電流はＩ＝５．２ｍＡであった。
【００８８】
充満空間内における真空度の経時的な変化は、方程式（６．４）を使用すると、
【数２７】
2004521449.tif 000029
以下のグラフは、理論解析と試験との比較を示している。幾らかの不一致および差異が経時的に増大している。空気電池が形成できる最大真空度が約１９２０００ｄｙｎｅ／ｃｍ２であることを考えると、試験の終端での理論値は、ほぼ最大に達する。このことは、酸素濃度が低いことから試験電池が電流を維持できなかったこと、あるいは、差圧が高いことから漏れが増大したことを意味している。
【表１】
2004521449.tif 000030
差圧変化の改訂形式は、Δｐ＝３４．２５Δｔである試験データと相互に関連があるように書くことができる。この改訂形式は、グラフに破線で示されている。
【００８９】
７．結論
以下は、ＣＦＤシミュレーションで使用される空気電池の空気管理の流体力学理論から結論付けられる幾つかの仮定および境界条件である。
１．空気電池内で酸素を使用すると、正極の充満空間内に負圧が形成される。この負圧は、通気口を通じて空気を充満空間内に引き込む。
２．電池が使用する全酸素の１９％を下回る酸素を電池に供給する対流が存在する。
３．８１％を超える酸素が拡散によって生じる。
４．ｍＡ電流当たりの空気電池の酸素消費率は、８．２９１×１０−８ｇ／ｓである。
５．空気電池が正極の充満空間内で得ることができる最大真空度は、約１９２０００ｄｙｎｅ／ｓｍ２すなわち０．１９２ａｔｍである。
６．空気電池がｍＡ電流当たりに形成できる最大気流速は、６．２２６×１０−５ｃｍ３／ｓである。
正極の表面は、平坦且つ均一であり、その表面に達する酸素を消費できると仮定する。したがって、ＣＦＤシミュレーションは正極特性の変化を考慮しない。
【００９０】
引用文献
Ｃｒｏｗ，  Ｄ．  Ｒ．，電気化学の原理および用途、第４版、Ｂｌａｃｋｉｅ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  ａｎｄ  Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ，  １９９４
Ｆｌｕｅｎｔ社、ＦＩＤＡＰ  ８  理論マニュアル、第５巻、１９９８
Ｍｏｏｒｅ，  Ｗ．  Ｊ．，  物理化学、第５版、Ｌｏｎｇｍａｎ，  １９７２
Ｏｈｔａ，  Ａ．等  ボタン型の亜鉛空気電池Ｉの設計。水蒸気および酸素の透過性の新規な評価方法。電気化学（日本、電気化学に関する）、第６５巻、第５号、１９９７．
Ｚｈａｎｇ，  Ｙ．，  Ｌｉｕｔｉ  Ｌｉｘｉｅ（中国、流体力学に関する）、Ｇａｏｄｅｎｇ  Ｊｉａｏｙｕ  Ｃｈｕｂａｎｓｈｅ，  １９８６。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】空気電池の一実施形態の断面図である。
【図２】正極缶の一実施形態の斜視図である。
【図３】円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／４の流束等高線プロットである。
【図４】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／８の流束等高線プロットである。
【図５】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／８の流束等高線プロットである。
【図６】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／８の流束等高線プロットである。
【図７】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／８の流束等高線プロットである。
【図８】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／８の流束等高線プロットである。
【図９】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の１／８の流束等高線プロットである。
【図１０】長尺な開口の実施形態および流束等高線プロットの概略図である。
【図１１】正極缶の一実施形態の下面図である。
【図１２】円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の一部の流束等高線プロットである。
【図１３】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の斜視図である。
【図１４】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の一部の流束等高線プロットである。
【図１５】非円形の通気口を有する正極缶の一実施形態の斜視図である。
【図１６】電池カートリッジの一実施形態の斜視図である。
【図１７】電池の複数の実施形態におけるエネルギ密度対比出力のプロットである。
【図１８】電池の複数の実施形態における負極稼動率対一定出力放電のプロットである。
【図１９】約１．０Ｖを超えるため、ＧＳＭ９００シミュレーション下での、電池の複数の実施形態の高パルス電圧における時間（秒）のプロットである。
【図２０】約１．０Ｖを下回るため、ＧＳＭ９００シミュレーション下での、電池の複数の実施形態の高ドレインパルス電圧における時間（分）のプロットである。
【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１４】
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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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【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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