(57)【要約】充電終了点を決定するための圧力応答装置を有する再充電可能な電気化学セルが提供される。特に、再充電可能な金属水素化物セルの開放端のキャップに可逆の圧力応答スイッチが配置される。この可逆の圧力応答スイッチは、セルの内部圧力を解放するための通気システムも含む。或いは又、再充電可能なセルは、充電中に内部圧力の蓄積によりバッテリの外面が膨張したときに抵抗値が変化するようにその外面に配置された歪計を含んでもよい。更に、再充電可能なセルは、一定電圧、一定電流、或いは最小スレッシュホールドと最大スレッシュホールドとの間で変化する交流電流又は電圧を供給できる充電電源と組み合わせて使用される。
2004517440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる再充電可能な電気化学セルにおいて、
（ａ）開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを備え、上記内部空洞には正及び負の電極が配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲し、
（ｂ）エンドキャップ組立体を更に備え、該組立体は、
ｉ．上記カンから半径方向内方に延びる柔軟な部材であって、内部セル圧力に応答して第１位置から第２位置に向かって撓む柔軟な部材と、
ｉｉ．上記端子エンドキャップと電気的に連通する第１導電性素子と、
ｉｉｉ．上記正電極と電気的に連通し、上記第１導電性素子と除去可能に電気的連通しそして上記柔軟な部材と機械的に連通する第２導電性素子と、
を含み、そして
上記第１及び第２の導電性素子は、上記柔軟な部材が充電中に所定のスレッシュホールドを越える内部圧力に応答して上記第２位置に向かって撓むときに電気的連通から除去される電気化学セル。
【請求項２】
上記柔軟な部材は、上記内部圧力が上記所定スレッシュホールドより下がったときに第１位置から第２位置へ復帰する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
上記第２導電性素子は、上記柔軟な部材に接続されると共に、上記第１導電性素子と少なくとも部分的に軸方向に整列され、そして上記第２導電性素子は、上記柔軟な部材が第２位置にあるときに軸方向外方に変位される請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
上記端子キャップと柔軟な部材との間に配置された非導電性のスプリング部材を更に備え、上記柔軟な部材の変位量を制限すると共に、上記第１及び第２導電性素子間に接触を維持するための予配置スプリング力を課する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項５】
上記柔軟な部材は、半径方向内方に延びる空洞をその周囲に画成し、該空洞は、上記エンドキャップ及び第１導電性素子の遠方端を含む請求項１に記載のセル。
【請求項６】
上記カンは、上記セルの開放端をシールするように上記柔軟な部材上に圧着される請求項５に記載のセル。
【請求項７】
上記端子エンドキャップは、正端子のエンドキャップである請求項１に記載のセル。
【請求項８】
上記第１導電性素子の軸方向下流に配置されたストップワッシャーを更に備え、上記柔軟な部材が上記第２位置にあるときに上記第１導電性素子の軸方向移動を制限する請求項１に記載のセル。
【請求項９】
上記内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときにセルから気体を逃せるように構成された上記端子エンドキャップを通して延びる穴を更に備えた請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
上記柔軟な部材は、上記カンの内部空洞を上記エンドキャップ内に配置された第２内部空洞から分離し、上記セルは、上記柔軟な部材を通して延びる開口を更に備え、上記カンの内部空洞と上記第２の内部空洞との間にコンジットを形成する請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
上記開口内に配置されたプラグを更に備え、該プラグは、上記内部圧力が第２の所定スレッシュホールドに達したときに変位できる請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
上記プラグは、弾性変形可能である請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
上記開口内に配置されたスプリング部材を更に備え、このスプリング部材は、流体が上記カンの内部空洞から上記第２内部空洞へ流れるのを防止するように動作し、そして上記スプリング部材は、上記内部圧力が第２の所定スレッシュホールドに到達したときに変位できる請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
上記セルは、定電流充電のもとで充電可能である請求項１０に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
上記セルは、１時間より速い率で充電可能である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
上記セルは、定電圧充電のもとで充電可能である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
上記セルは、可変電流充電のもとで充電可能である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
上記可変電流充電は、半波整流の交流充電である請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
上記可変電流充電は、全波整流の交流充電である請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
上記可変電流充電は、直流によりオフセットされた交流である請求項１７に記載の電気化学セル。
【請求項２１】
上記セルは、最小スレッシュホールドと最大スレッシュホールドとの間で変化する電圧で充電できる請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２２】
正電極と負電極との間に配置されたセパレータを更に備え、このセパレータは、気体不浸透性である請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２３】
上記第２導電性素子は、更に、
上記正電極から延びる一端と、該第１端とは反対の第２端とを有する第１コンタクトと、
上記柔軟な部材を通して延び、上記第１コンタクトの第２端に接触する第１端と、該第１端とは反対の第２端とを有する第２コンタクトと、
上記第２コンタクトの第２端と接触する第１端と、該第１端とは反対で、上記第１導電性素子に除去可能に接触する第２端とを有する第３コンタクトと、
を備えた請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項２４】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
（ａ）電気化学セルを備え、このセルは、
ｉ．開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、上記内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲しており、
ｉｉ．更に、上記端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして
ｉｉｉ．更に、上記リンケージを切断する高い内部圧力に応答するスイッチを含み、そして
（ｂ）上記電気化学セルを受け入れて定電圧充電をそこに供給するように構成されたセルチャージャーを備え、充電中に内部圧力が発生されて、その内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システム。
【請求項２５】
上記セルは、更に、アノードとカソードとの間に配置された気体不浸透性セパレータを備えた請求項２４に記載の充電システム。
【請求項２６】
上記セルは、更に、アンペア時のアノード容量とアンペア時のカソード容量の比が重量で０．９：１ないし１．５：１の範囲内である請求項２４に記載の充電システム。
【請求項２７】
上記チャージャーは、更に、可変電流の充電をセルへ供給するように構成される請求項２４に記載の充電システム。
【請求項２８】
上記チャージャーは、セル内の電圧が充電中に増加するときに減少する電流をセルへ供給する請求項２４に記載の充電システム。
【請求項２９】
上記電気的接続は、更に、上記端子エンドキャップと電気的に連通する第１コンタクトと、上記カソードと電気的に連通しそして上記第１コンタクトと除去可能に電気的連通する第２コンタクトとを備え、そして上記スイッチは、内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えるときに上記第１コンタクトと第２コンタクトとの間の電気的連通を遮断する請求項２４に記載の充電システム。
【請求項３０】
上記スイッチは、更に、上記第１コンタクトに接続されて上記第１コンタクトを上記第２コンタクトから離すようにバイアスするよう構成された柔軟な部材を備えた請求項２９に記載の充電システム。
【請求項３１】
上記スイッチは、可逆である請求項２４に記載の充電システム。
【請求項３２】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
（ａ）電気化学セルを備え、このセルは、
ｉ．開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、上記内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲しており、
ｉｉ．更に、上記端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして
ｉｉｉ．更に、上記リンケージを切断する高い内部圧力に応答するスイッチを含み、そして
（ｂ）上記電気化学セルを受け入れて可変電流充電をそこに供給するよう構成されたセルチャージャーを備え、充電中に内部圧力が発生されて、その内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システム。
【請求項３３】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
（ａ）電気化学セルを備え、このセルは、
ｉ．開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、上記内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲しており、
ｉｉ．更に、上記端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして
ｉｉｉ．更に、上記リンケージを切断する高い内部圧力に応答するスイッチを含み、そして
（ｂ）上記電気化学セルを受け入れて電圧充電をそこに供給するように構成されたセルチャージャーを備え、上記電圧は、最大スレッシュホールドと最小スレッシュホールドとの間で変化し、充電中に内部圧力が発生されて、その内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システム。
【請求項３４】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、開放端を包囲する端子エンドキャップと、そのエンドキャップをカソードに除去可能に接続する電気的リンケージと、このリンケージを制御するスイッチとを有する形式の再充電可能なセルを充電する方法において、
（ａ）定電圧充電を上記セルへ供給し、この定電圧充電に応答して内部空洞内に内部圧力が蓄積し、そして
（ｂ）内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときにリンケージを終了するように上記スイッチを作動する、
という段階を備えた方法。
【請求項３５】
（ｃ）上記内部圧力が所定のスレッシュホールドより下がったときに上記リンケージを復帰するように上記スイッチを作動し、
（ｄ）上記セルの開路電圧を測定し、そして
（ｅ）上記セルの開路電圧が約１．４２ボルトになるまで上記段階（ｂ）及び（ｃ）を繰り返す、
という段階を更に備えた請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
充電中に上記再充電可能なセルに直列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
充電中に上記再充電可能なセルに並列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
上記アノード及びカソードは、内部空洞に配置され、端子エンドキャップが、カソードと除去可能に電気的連通して開放端を包囲し、そしてスイッチが端子エンドキャップとカソードとの間の電気的連通を制御する請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
内部セル電圧が蓄積するときに減少電流をセルに供給する段階を更に備えた請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
内部圧力が所定のスレッシュホールドよりも下がったときに上記リンケージを再確立するように上記スイッチを逆転する段階を更に備えた請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、上記開放端を包囲する端子エンドキャップと、そのエンドキャップとカソードとの間に除去可能な電気的接続を確立する電気的リンケージと、このリンケージを制御するスイッチとを有する形式の再充電可能なセルを充電する方法において、
（ａ）可変電流充電を上記セルへ供給し、この充電に応答して内部空洞内に内部圧力が蓄積し、そして
（ｂ）内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに上記リンケージを終了するように上記スイッチを作動する、
という段階を備えた方法。
【請求項４２】
充電中に上記再充電可能なセルに直列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
充電中に上記再充電可能なセルに並列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
上記アノード及びカソードは、内部空洞に配置され、端子エンドキャップが、カソードと除去可能に電気的連通して開放端を包囲し、そしてスイッチが端子エンドキャップとカソードとの間の電気的連通を制御する請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
内部圧力が所定のスレッシュホールドよりも下がったときに上記リンケージを再確立するように上記スイッチを逆転する段階を更に備えた請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、上記開放端を包囲する端子エンドキャップと、そのエンドキャップをカソードに除去可能に接続する電気的リンケージと、このリンケージを制御するスイッチとを有する形式の再充電可能なセルを充電する方法において、
（ａ）所定の最小値と所定の最大値との間で変化する電圧充電を上記セルへ供給し、この充電に応答して内部空洞内に内部圧力が蓄積し、そして
（ｂ）内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに上記リンケージを終了するように上記スイッチを作動し、そして内部圧力が所定のスレッシュホールドより下がったときにそのリンケージを再確立する、
という段階を備えた方法。
【請求項４７】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
外面が所定スレッシュホールドを越える率で膨張することを指示する信号を送信するように動作できるゲージをその外面に有する再充電可能なセルと、
（１）上記再充電可能なセルに電荷を供給し、その電荷が供給されるときにバッテリの外面が膨張し、（２）上記ゲージから信号を受信し、そして（３）外面膨張の所定の変化率に基づいて電荷を終了させるように構成されたバッテリチャージャーと、
を備えたシステム。
【請求項４８】
上記ゲージは、歪計であって、その２つの遠方端が２つの各導電性コンタクトバンドに接続され、そして上記チャージャーは、更に、上記コンタクトバンドにまたがる電気抵抗を測定するようにそれらコンタクトバンドに接続された導電性リードを含む請求項４７に記載の組立体。
【請求項４９】
上記ゲージからの信号は、外面膨張に対して予想し得るように変化する抵抗値であり、そして上記チャージャーは、更に、上記歪計にまたがる抵抗値を測定するように動作するプロセッサを含む請求項４８に記載の組立体。
【請求項５０】
上記充電は定電圧充電である請求項４７に記載の組立体。
【請求項５１】
上記セルは、更に、セルの内部温度を感知するための温度センサを備え、そして上記バッテリチャージャーは、更に、温度及び外面膨張変化の所定状態に基づいて充電を終了させる請求項４７に記載の組立体。
【請求項５２】
上記歪計は、セルの周りに巻き付けるように構成されたラミネートに埋め込まれ、このラミネートは、接着剤と、絶縁体と、歪計と、その歪計に電気的に連通して隣接配置された一対のコンタクトパッドとを含む請求項４７に記載の組立体。
【請求項５３】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、上記開放端を包囲する端子エンドキャップと、セルの外面に配置された歪計であってセルの膨張に応答してその抵抗値が変化するような歪計とを有する形式の再充電可能な電気化学セルの充電終了点を決定する方法において、
上記セルに充電を供給し、
上記歪計の抵抗値を測定し、そして
充電中に上記歪計の抵抗値変化に基づいて充電終了点を決定する、
という段階を備えた方法。
【請求項５４】
上記充電は、定電圧充電である請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願のクロスレファレンス】
本出願は、２０００年１０月２０日に出願された「Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ Ｃｈａｒｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｓｗｉｔｃｈ」と題する米国特許出願第６０／２４２，３４７号；２００１年５月１１日に出願された「Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ Ｃｈａｒｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈ」と題する米国特許出願第６０／２９０，２２９号；２００１年３月３０日に出願された「Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ Ｃｈａｒｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ Ｓｗｉｔｃｈ」と題する米国特許出願第６０／２８０，３９１号；２００１年８月１日に出願された「Ｓｔｒａｉｎ Ｇａｕｇｅ−Ｂａｓｅｄ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｎｉｃｋｅｌ−Ｂａｓｅｄ Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｃｅｌｌ」と題する米国特許出願第６０／３０９，３７７号；及び２００１年７月３１日に出願された「Ｃｈａｒｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ｓｗｉｔｃｈ」と題する米国特許出願第６０／３０８，９７０号の優先権を請求するものであり、その各々の開示全体を参考としてここに援用する。
【０００２】
【連邦後援調査又は開発に関するステートメント】
適用せず。
【０００３】
【発明の背景】
本発明は、一般に、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）セルのようなニッケルの再充電可能なセルに係り、より詳細には、セルの充電プロセスを自動的に可逆に終了させる方法及び装置に係る。本発明は、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）セルに使用することもできる。
【０００４】
高い便宜性及び携帯性のために、多くの近代的な電気機器及び消費者製品は、標準サイズ及び電気的性能のバッテリから電流を引き出すように動作する。便宜性及び経済性のために、ニッケル金属水素化物セル等の種々の再充電可能なバッテリが開発されている。
【０００５】
金属水素化物セル技術は、ニッケルカドミウム及びリチウムイオン技術と比べたときに合理的なコストで優れた高レート性能を発揮する。更に、金属水素化物セルは、リチウムイオンセルにほぼ等しく且つＮｉＣｄセルよりも約５０％高い体積エネルギー密度を有する。金属水素化物の再充電可能なセルの内部化学特性は、このようなセルを充電する能力に影響を及ぼす。再充電可能なニッケルセルを充電する能力に影響する問題は、このようなセルの内部化学特性に結果として生じる。再充電可能なニッケルセルが完全充電状態に近づくと、次のようにしてカソードに酸素が発生される。
４ＯＨ−  →  Ｏ２（ガス）＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
【０００６】
酸素ガスは、ガス浸透性セパレータを横切ってアノードへと拡散し、そこで、次のようにして水酸化カドミウム又は水へと再結合される。
１／２Ｏ２（ガス）＋Ｈ２Ｏ＋Ｃｄ  →
Ｃｄ（ＯＨ）２＋熱＠カドミウムアノード
１／２Ｏ２（ガス）＋Ｈ２  →  Ｈ２Ｏ＋熱＠水素化物アノード
【０００７】
このようなセルを再充電するときには、セルが完全に充電状態になったときを確認することが重要である。例えば、セルが長時間にわたって過剰充電状態になった場合には、セル内に圧力が確立されて、セルの故障や電解液の漏洩を招き、従って、チャージャーは潜在的なダメージを更に受けることになる。
【０００８】
金属水素化物の再充電可能なセルは、通常、定電圧ではなく定電流をセルに供給することにより再充電される。この構成では、セル電圧が徐々に増加してセルが完全充電に近づき、その際に、セル電圧がピークとなる。セルが過剰充電状態に達すると、放熱によりセル温度が急激に高くなり、これは、次いで、セル電圧を低下させる。又、過剰充電中には、セルが再結合できる以上の量で酸素ガスが発生するので、セル圧力も急激に上昇する。不都合なことに、圧力の変化率は、電圧又は温度の変化率よりも数桁も速いことが知られている。従って、従来の定電流充電遮断方法は、内部圧力の確立、破裂及び電解液漏洩の危険を伴わずに、非常に迅速な充電率をサポートすることはできない。このため、金属水素化物セルには、安全のための通気口が設けられる。
【０００９】
完全充電状態における圧力の蓄積を減少する１つの一般的な方法は、カソードより４０ないし５０％大きな過剰容量を有するアノードと、ガス浸透性のセパレータと、ガスの有効拡散を受け入れる限定された電解液を用意することである。これは、酸素がアノード材料と再結合するのを許しながらアノードにおける水素ガスの発生を回避する。セルが完全充電状態に達すると、カソードにおいて酸素ガスが発生し続けるが、アノードから水素が発生されない。水素が発生された場合には、過剰な圧力でセルが破裂することがある。それ故、図１に示すように、酸素の再結合反応がセルの圧力を制御する。次いで、酸素は、セパレータを横切り、そしてアノード材料と反応する。この構成体の下流側では、酸化及び熱を伴う過剰充電によりアノードが劣化するために、セルの容量が減少されそしてそれに対応してセルのサイクル寿命が短くなる。
【００１０】
完全充電状態に達したときには、考えられるセルの破裂や、内部ガス圧の増加による漏れを回避するために、セル又は複数のセルの充電を停止することが重要である。従来の金属水素化物の再充電可能なセルは、それ自身、適当な充電終了点を通知することができない。充電を終了すべきときを決定するために、関連チャージャー装置における高価で精巧な検出回路に依存しなければならない。充電の終了は、通常、（１）ピークセル電圧、（２）ピークセル温度（ＴＣＯ）、（３）充電時間巾、（４）−ｄＶ、及び（５）ｄＴ／ｄｔに基づき、検出回路により決定される。定電流充電を終了するための各既知の方法には、欠点がある。例えば、時間をベースとする終了は、非常に低い充電率を除くと信頼性が低い。というのは、終了の前にセルが過剰充電状態になるからである。
【００１１】
ピーク電圧をベースとする充電終了は、終了の前に過電圧状態が存在し得るので、充電周期の終わりには信頼し得ないものとなる。電圧減衰（−ｄＶ）をベースとする終了は、当然、酸素の再結合及びそれに伴う有害な温度上昇に関連している。実際に、これは、電圧の検出が正確で且つ迅速でなければならないことを意味する。周囲温度が一定でない限り、電圧変化を正確に測定することが困難である。更に、充電率が０．３Ｃより低速であるときには、電圧降下の測定も小さ過ぎて正確に測定できない。１Ｃの充電率は、電気化学セル又はバッテリの定格容量に等しい電流を引き出す。ピーク温度のみをベースとする終了は、周囲温度変化によっても容易に影響される。
【００１２】
時間に伴う温度の変化率（ｄＴ／ｄｔ）をベースとする終了は、絶対温度変化の検出よりも若干信頼性が高い。というのは、周囲温度の変化により生じる影響をあまり受けず、そしてサイクル寿命に対して否定的な影響があまりなく、しかも、依然としてセルの性能及びサイクル寿命に有害な熱をベースとしているからである。これは、温度が迅速に高まり、実際には、電圧降下に先行するからである。従って、上述した他の方法よりも、破裂及び漏洩の危険性は若干低い。これにより、この方法が、今日使用されている最も一般的な充電終了方法となっている。
【００１３】
この技術における他のものは、圧力が所定のレベルを越えたときに電極とセル端子との間の接続を切断するための圧力ベースのメカニズムを求めている。例えば、米国特許第５，０２６，６１５号は、導電性のスプリング部材と、非導電性の支点部材と、可動の導電性部材とを備えたエンドキャップ組立体における圧力感知スイッチを開示している。導電性スプリング部材は、一端では端子に電気的接続され、そして他端では可動の導電性部材に電気的接続される。可動の導電性部材は、次いで、電極に電気的接続される。内部セル圧力が増加すると、可動の導電性部材がスプリング部材に力を及ぼし、該スプリング部材は、非導電性支点部材で枢着回転し、端子から切り離される。従って、上記特許は、一方が他方に対して可動であって支点の周りで回転して他方に対して枢着回転できるような第１及び第２のコンタクトを必要とする。この構成体は、必要以上に本質的な部分を要求する上に、更に、組立体を厳密な裕度で構成することを要求し、従って、複雑さ及び製造コストを高める。
【００１４】
これらの技術の他の例は、米国特許第５，７４７，１８７号；第５，４０５，７１５号；第５，７４１，６０６号；第５，６０９，９７２号、第６，０１８，２８６号、第６，０７８，２４４号；及び第６，０６９，５５１号を含み、これらは、全て、その全体を参考としてここに援用する。このようなメカニズムのあるものは、圧力で誘発されるセルの破裂を防止するが、もし破裂すると、セルは永久的にディスエイブルされる。他の場合には、可逆スイッチ装置がセルの破裂を防止するが、早期充電終了状態を検出して熱の蓄積を回避しそして優れたセル性能及びサイクル寿命を確保することはない。
【００１５】
一方、定電圧充電の場合には、充電の始めに、セルが高い電流を受け入れられるときには、充電電流が高く、そしてセルが完全充電状態に近づくにつれて低いレベルへと減少する。定電圧充電のときには、定電流充電プロセスの終わりに対する上記信号が有用なものではない。というのは、セルが完全充電状態に近づくにつれて、セルの電圧が一定になりそしてセルの温度が一様になるからである。定電流充電の解決策と同様に、充電率が０．３Ｃより高いときには、装置にダメージを及ぼし得るような圧力の暴走により、定電圧充電に対する充電時間を使用することができない。これら欠点の結果として、有効な終了シグナリング手段を識別することは困難であり、それ故、金属水酸化物セルに対する定電圧充電は、一般に実用的でないと考えられている。
【００１６】
交流充電の場合には、充電電流をある規定の周波数又は周波数の組合せで変調して、セルを充電状態にすることのできる正味正電流を発生することができる。交流充電は、定電流又は定電圧充電よりも圧力蓄積が少なく且つ温度上昇の低い高速充電を与えることができる。しかしながら、交流充電を使用するときには、定電流充電プロセスの終わりに対する上記信号が有用なものではない。というのは、セルが完全充電状態に近づくにつれて、付与される交流に応答する電圧より上でセル電圧の変化を検出することが困難になるからである。その結果、有効な終了シグナリング手段を識別することが困難になり、それ故、金属水酸化物セルの交流充電も、一般に実用的でないと考えられる。交流充電は、本明細書全体にわたり、正味正電荷を発生する可変電流、例えば、変調された交流を意味するものとして使用されることを理解されたい。例えば、交流は、一連の電流パルスを発生するように半波整流又は全波整流されたものでもよいし、又は交流は、希望のＤＣ電流によりオフセットされてもよい。
【００１７】
オーストラリア特許公告第１９９９２６９７１Ａ１号は、外部の送電部から植え込み部の受電部へ電力を経皮送信することにより植え込み部におけるニッケル金属水素化物バッテリを迅速に充電する方法を開示している。この特許公告は、内部セル抵抗が低いときに初期の大電流急速充電段階があり、その後、セルに過剰なガスや熱を発生せずに、電気化学状態が許す程度のエネルギーのみでセルを充電するよう確保する第２の低電流一定セル電圧充電段階が続くのが望ましいと考えている。バッテリに対する有害な影響が除外されると同時に、充電率が高く保たれる。上記特許公告に開示された方法において、２つの充電段階の第１は、セル電圧が上昇する間に、所定の制限充電電圧に到達するまで、比較的高い一定の充電電流を受電部へ流すのを許すステップを含む。第２の充電段階では、充電電流が、第１段階の終わりの電流レベルより低くされる一方、セル電圧が少なくともほぼ所定の一定電圧値に保持される。上記オーストラリア特許公告では、第２の充電段階は、時間に伴う充電電流の変化率が所定の傾斜に到達しないことを関連マイクロ電子コントローラが決定したときに終了となる。この厄介な２段階の定電流／定電圧解決策は、公知解決策の典型である。
【００１８】
要約すれば、金属水素化物の再充電可能なセルがその完全充電状態に到達すると、カソードから酸素が発生され、内部セル圧力を高めると共に、発熱性の酸素再結合反応を推進する。通常１時間未満の非常に高い定電流充電率においては、充電の終わりにも充電電流が非常に高い。その結果、セルの甚だしい加熱を生じると共に、サイクル寿命を短縮する。定電流充電を終了するのに使用できる方法は、セルの温度が高いときにはあまり信頼性がない。更に、セルの加熱は有害であり、ダメージを及ぼすような圧力がセル内で上昇し始める段階において著しくセルが加熱する前に充電を終了することが望まれる。
【００１９】
それ故、定電圧、定電流、及び交流電流／電圧充電のもとで完全に再充電することのできるセルに対して充電終了点を正確に決定する方法及び装置が要望される。
【００２０】
刺激に応答して充電終了点を決定する可逆調整スイッチであって、現在入手できるものより複雑でなく且つ破壊的でもないスイッチが望まれる。
【００２１】
又、現在達成されるものよりコスト効率がよく且つ信頼性の高い充電終了検出装置であって、従来の再充電可能なバッテリに適合する装置が望まれる。
【００２２】
【発明の開示】
１つの特徴において、本発明は、内部圧力が最大所定スレッシュホールドに到達したときに充電を終了するのに適した再充電可能な電気化学セルを提供する。このセルは、１つの好ましい形態では、開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを備え、上記内部空洞には正及び負の電極が配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲している。
【００２３】
上記セルは、更に、エンドキャップ組立体を備え、該組立体は、上記カンから半径方向内方に延びるグロメットであって、内部セル圧力に応答して第１位置から第２位置に向かって撓むグロメットを有する。第１導電性素子が端子エンドキャップと電気的に連通し、そして第２導電性素子が正電極と電気的に連通すると共に、上記第１導電性素子と除去可能に電気的に連通する。又、この第２導電性素子は上記グロメットと機械的に連通する。セル内の内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えて蓄積すると、上記グロメットが撓んで第１及び第２の導電性素子を電気的連通から除去し、充電を終了させる。内部圧力が所定のスレッシュホールドより低下すると、グロメットがその第１位置へ復帰する。
【００２４】
１つの実施形態によれば、上記第２導電性素子は、（ａ）上記正電極から延びる一端と、該第１端とは反対の第２端とを有する第１コンタクトと、（ｂ）上記グロメットを通して延び、上記第１コンタクトの第２端に接触する第１端と、該第１端とは反対の第２端とを有する第２コンタクトと、（ｃ）上記第２コンタクトの第２端と接触する第１端と、該第１端とは反対で、上記第１導電性素子に除去可能に接触する第２端とを有する第３コンタクトとを備えている。
【００２５】
別の好ましい形態において、上記第２導電性素子は、上記グロメットに接続され、そして上記第１導電性素子と少なくとも部分的に軸方向に整列され、そして上記グロメットが第２位置にあるときに軸方向外方に変位される。端子キャップとグロメットとの間には、グロメットの変位量を制限するために非導電性スプリング部材が配置される。上記第１導電性素子の軸方向下流にはストッパーが配置され、グロメットがその第２位置へ撓むときにその素子の移動を制限する。
【００２６】
もし必要があれば、セルは、正電極と負電極との間に配置されたガス不浸透性のセパレータを更に含むことができる。
【００２７】
別の特徴において、本発明は、端子エンドキャップを通して延びる通気口であって、圧力を消散するためにセルからガスを逃すことができる通気口を与える。より詳細には、グロメットがカンの内部空洞を、エンドキャップ内に配置された第２の内部空洞から分離する。グロメットを貫通して開口が延びていて、２つの空洞間にコンジットを形成し、カンの内部空洞から通気口を経てガスを逃すことができる。必要であれば、内部圧力が所定のスレッシュホールドに到達したときに変位できるプラグを開口内に配置することができる。
【００２８】
更に、本発明は、再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、（１）電気化学セルを備え、このセルは、（ａ）開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが開放端を包囲し、（ｂ）更に、端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして（ｃ）更に、このリンケージを切断する高い圧力に応答するスイッチを含み、そして（２）上記電気化学セルを受け入れて定電圧充電をそこに供給するセルチャージャーを備え、充電中に内部圧力が発生され、その内部圧力が所定の圧力スレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システムを提供する。別の特徴において、上記チャージャーは、交流充電を供給する。更に別の特徴において、上記チャージャーは、所定の最大スレッシュホールドと所定の最小スレッシュホールドとの間変化する電圧充電を供給する。
【００２９】
別の特徴において、本発明は、直列に接続された複数のセルより成るバッテリであって、セルの少なくとも１つが、本発明による圧力応答スイッチを含むセルであるようなバッテリを提供する。これら複数のセルは、本発明により充電及び再充電することができるが、本発明のスイッチを装備したいずれか１つのセルの圧力が、受け入れられないほど高いレベルに上昇したときには、回路全体に流れる電流が遮断され、そして充電が終了される。
【００３０】
別の好ましい形態では、定電圧充電、交流充電、定電流充電、及び最小スレッシュホールドと最大スレッシュホールドとの間で変化する電圧のもとでセルを充電することができる。その結果、セルは、１時間率未満に対して高速充電を達成することができる。
【００３１】
別の特徴において、再充電可能な電気化学セルの充電システムは、外面が所定スレッシュホールドを越える率で膨張することを指示する信号を送信するように動作できるゲージをその外面に有する再充電可能なセルを備えている。又、（１）上記再充電可能なセルに電荷を供給し、その電荷が供給されるときにバッテリの外面が膨張し、（２）上記ゲージから信号を受信し、そして（３）外面膨張の所定の変化率に基づいて電荷を終了させるバッテリチャージャーも設けられる。
【００３２】
１つの好ましい形態において、上記ゲージは、歪計であって、その２つの遠方端が２つの各導電性コンタクトバンドに接続され、そして上記チャージャーは、更に、上記コンタクトバンドにまたがる電気抵抗を測定するようにそれらコンタクトバンドに接続された導電性リードを含む。
【００３３】
別の好ましい形態において、上記ゲージからの信号は、外面膨張に対して予想し得るように変化する抵抗値であり、そして上記チャージャーは、更に、上記歪計にまたがる抵抗値を測定するように動作するプロセッサを含む。
【００３４】
別の好ましい形態において、上記充電組立体は、更に、セルの内部温度を感知するための温度センサを備え、そして上記バッテリチャージャーは、更に、温度及び外面膨張の所定状態に基づいて充電を終了させる。
【００３５】
別の特徴において、これら形式の電気化学セル及び充電組立体を使用するための方法も提供される。
【００３６】
従って、本発明は、再充電可能なセル、充電システム、及びセルを故障させることのあるセルの過剰加圧を防止するために内部圧力に基づいて金属水素化物セルの信頼性ある充電終了を達成する方法を提供する。
【００３７】
本発明の上記及び他の特徴は、以下の説明から明らかとなろう。以下、添付図面を参照して説明するが、これは、本発明の好ましい実施形態を例示するものに過ぎず、本発明をこれに何ら限定するものではない。これら実施形態は、必ずしも、本発明の全範囲を表わすものではなく、それ故、本発明の範囲を解釈するためには特許請求の範囲を参照されたい。
【００３８】
【発明を実施するための最良の形態】
図２Ａを参照すれば、軸方向に延びるセルは、閉じた端（図示せず）と、それから軸方向下流にそれと対向配置された開放端１３とを有するカン１２を備えている。キャップ組立体１０は、セルに対する蓋を形成するように負のカン１２の開放端に固定される正端子エンドキャップ１８を備えている。より詳細には、エンドキャップ組立体１０及びカン１２の開放端は、円筒状の再充電可能な金属水素化物セルの組み立て中に負のカン１２を圧着することによってエンドキャップ組立体１０が開放端に密封式に受け入れられるように、サイズ及び形状が適応される。カンの閉じた端は、従来型であり、図示されていない。
【００３９】
正の（例えば、ニッケル水酸化物）電極１４は、以下の説明から明らかとなるように、正端子キャップ１８に除去可能に電気的接続される。セルは、更に、カン１２と電気的に接続された負の電極２１（例えば、水素化物電極）を含むと共に、アルカリ電解液（例えば、水酸化カリウム）を単独で含むか、又は他のアルカリ金属水酸化物と組み合わせて含む。電極は、内部空洞１５に配置され、そしてセパレータ１６により分離される。カン１２及び本発明のエンドキャップ組立体１０を備えたセルは、更に、従来の正１４及び負２１の巻線型電極をその内部に含むことができるが、これら電極の相対的なサイズは、セルの物理的及び電気的仕様を満足するように調整できる。
【００４０】
正端子キャップ１８は、本発明により構成された圧力応答スイッチ１１を有するセルへの正の端子を形成するようなサイズ及び形状にされた乳首状突起２０を有する。圧力応答スイッチ１１は、開放端１３にしっかりと嵌合するサイズ及び形状にされた柔軟な非導電性の単安定グロメット２２を備えている。このグロメットは、半径方向外部シール２５と、内部ハブ２７と、実質的に半径方向に延びて、シールをハブに接続するアーム２９とを備えている。更に、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配置された開口１５を備え、ここには、導電性の糸巻き状コネクタ２４が安住され、これは、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。グロメット２２の外面と端子エンドキャップ１８の内面との間のスペースは、エンドキャップ組立体１０の空洞１７を画成する。
【００４１】
コネクタ２４は、グロメット２２の開口にしっかり固定され、導電性コネクタがグロメットと一緒に移動するようにされる。ここに示す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のハブを取り巻き、そして上部フランジ２３に電気的接触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よい）は、グロメットを取り巻き、そして第１コンタクト２６に隣接してその軸方向上流に配置される。第１及び第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ないし５に示すように、他の形状で設けることもできる。コンタクト２８の上面は、端子キャップに電気的接続され、そして以下の説明から明らかとなるように、第１コンタクト２６の下面と除去可能に機械的（ひいては電気的）接続される。
【００４２】
グロメット２２は、セルの化学的特性に悪影響を及ぼさない充分に柔軟で、非導電性の不活性材料で形成することができる。適当な材料は、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ナイロン、及びその等効物を含むが、それらに限定されない。
【００４３】
グロメット２２の外部シール２５は、上方及び半径方向内方に延びる周囲リップ３８を含み、これは、カンの開放端と緊密なシールを形成し、セルの内部と外部との間のバリアを形成するサイズ及び形状にされる。又、リップ３８は、外部シール２５の空洞も部分的に画成し、ここには、端子エンドキャップ１８の外端及び第２コンタクト２８が配置される。リップ３８は、セルの組み立て中にグロメット２２上にカン１２を圧着できるようにする半径方向凸状外面を与える。カン１２の軸方向下流端が組み立て中にグロメット２２に圧着されるときには、グロメット２２と、第２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、セルの内部を周囲環境から分離する。アスファルトやタールのような任意のシール剤をエンドキャップ組立体１０とカン１２との間に使用して、シールを強化することもできる。
【００４４】
柔軟な導電性タブ３０は、導電性コネクタ２４をセル内部の正電極１４へ電気的に接続する。導電性コネクタ２４は、その両端を圧着してフランジ２３を形成することにより中央開口に固定されるアイレット又はリベットであり、上記フランジ２３は、グロメット２２のハブ２７及び第１コンタクト２６を固定する。導電性コネクタ２４は、第１コンタクト２６に電気的及び物理的に接触し、従って、導電性コネクタ２４を位置固定する上で助けとなる。
【００４５】
図２Ａは、エンドキャップ組立体を、グロメット２２がその安定位置にある低圧力状態で示している。この低圧力状態では、正電極１４が、導電性タブ３０、コネクタ２４、第１コンタクト２６及び第２コンタクト２８を経て正端子キャップ１８に電気的接続される。従って、セルは、再充電電流又は電圧をセルに導入することにより充電することができる。好都合にも、セルの内部圧力が所定スレッシュホールドを越えて蓄積したときには、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に示す第１位置から、図２Ｂに示す第２位置へ圧力応答をバイアスする。所定のスレッシュホールドは、使用する充電の意図された形式（例えば、定電流、定電圧等）に依存し、そしてグロメットに対して選択される材料、アーム２９の厚み及び柔軟性によって決定されることが明らかであろう。
【００４６】
図２Ｂを参照すれば、セルの内部圧力が、グロメット２２を撓ませるに充分なほど、所定スレッシュホールドを越えたときには、ハブ２７が軸方向下流に並進移動され、これにより、第１コンタクトを第２コンタクト２８から軸方向下流に並進移動して、それらの間の電気的接続を除去する。その結果、乳首状突起２０における電気的接続が、セル内の電極１４へ伝達されず、過圧力状態がおさまるまで更なる充電が防止される。
【００４７】
任意であるが、乳首状突起２０により画成された内部空洞に絶縁性の過圧力ストッパー３２を設けることもできる。この過圧力ストッパー３２は、必要に応じて接触圧力を予めかけるのに使用することもでき、そして内部セル圧力が高いときに乳首状突起２０の方向における導電性コネクタ２４の移動を制限することができる。又、第２コンタクト２８と端子エンドキャップ１８との間にストップワッシャー３４を任意に配置して、グロメット２２が撓むときに第２コンタクトの移動を抑制することもでき、これにより、高い圧力状態の間に２つのコンタクト間で電気的接続が切断されるよう更に確保することができる。
【００４８】
複数のセルをバッテリパックに設置し、そして定電圧又は定電流充電をセルに供給するように構成されたチャージャー内でそれらを直列に接続できることが明らかであろう。セルの少なくとも１つが本発明による圧力応答スイッチを含む限り（圧力が各セル内に同様に蓄積すると仮定すれば）、そのセル内の圧力でスイッチを作動してエンドキャップ１８と電極１４との間の電気的連通を除去すると、充電が終了される。或いは又、各セルは、セルの１つが最大許容内部圧力に達すると、全てのセルの充電が終了するようなスイッチを含むこともできる。或いは又、セルを充電ソースに並列に接続することもでき、この場合には、各セルが、本発明による圧力応答スイッチを含むことになる。
【００４９】
又、図２Ａ−Ｂは、過圧力状態にあるときにセルから過剰圧力（ガス）を通気するための任意の安全システムも示している。より詳細には、導電性コネクタ２４は、それを貫通して軸方向に延びる中央に配置された圧力開放チャンネル３６を画成することができる。従って、電極に発生するガスは、セルの内部１５から軸方向下流にチャンネル３６を経てエンドキャップの内部１７へ流れることができる。又、エンドキャップ１８は、それを貫通して延びる１つ以上の出口３５も画成し、エンドキャップ組立体１０から外部環境へガスを流すことができる。この出口は、不所望な漏れに対し、予め選択された圧力レベルでガスをセルから解放するように張力強度的に適応されたシール（図示せず）で固定することができる。このシールは、可逆でもよいし非可逆でもよい。
【００５０】
或いは又、出口３５は、常に環境へと開いていてもよく、この場合には、圧力解放チャンネル３６を塞ぐことにより、セルの内部に対する可逆の気密シールが維持される。より詳細には、過圧力ストッパー３２は、圧力解放チャンネル３６及び出口３５（環境へと開いていない場合）をシールするためにゴムのような適当に変形し得るプラスチック材料で形成された場合には、過圧力解放制御器としても機能することができる。図示された変形し得る材料に加えて、圧力解放チャンネルを解除可能に閉塞するための他の構造体は、プラグ又はスプリングを含むが、これに限定されない。内部セル圧力が充分に高いレベルに上昇すると、閉塞部がチャンネル３６及び出口３５から離されて、セル内部から外部環境への圧力解放経路が画成される。通気系統がセルの内部圧力を解放するところの圧力は、バッテリがどれほどの内部圧力に耐え得るかに依存し、即ち過圧力ストッパー３２のプラスチック材料は、通気が必要な圧力に応答するが、それより低い圧力ではしっかり位置保持されるように選択される。一般的に述べると、金属水素化物の再充電可能なセルについては、安全通気システムは、約６００ｐｓｉｇ以上のセル内部圧力、より一般的には、約１０００ないし１２００ｐｓｉｇの範囲のセル内部圧力に応答する。
【００５１】
チャンネル３６及び出口３５を通る圧力解放経路の開閉は、可逆に行うことができるが、最初の圧力上昇の後に圧力解放経路を有効に閉塞できる形状、サイズ又は位置に復帰しない材料で作られたブロックを使用することにより非可逆とすることもできる。以下で詳細に述べるように、ここに開示する以外のブロックを可逆及び非可逆の両通気システムに使用することができる。
【００５２】
図３を参照すれば、非可逆通気をもつエンドキャップ組立体の一例が示されており、ここでは、図２Ａ及び２Ｂに示されたものと同じ素子が同じ参照番号で示されている。図５は、これら素子をカン１２に組み立てる前に示している。
【００５３】
この実施形態によれば、第１コンタクト２６は、平坦でなく、平らな中央部分と、４つのアームとを含み、各アームは、遠方部分と、互いに同一平面上にない遠方部分及び中央部分を結ぶ移行部分とを有している。中央部分は、導電性コネクタ２４及び第２コンタクト２８と電気的に接触している。第２コンタクト２８は、エンドキャップ１８に電気的に接続される。コンタクト２６の各遠方部分は、電気絶縁体４０によりエンドキャップ１８から電気的に分離され、電気絶縁体４０は、コンタクト２６とエンドキャップ１８との間に配置されて、コンタクト２６の遠方部分に整列される。
【００５４】
セル内に内部圧力が蓄積すると、グロメット２２が撓み、これにより、コンタクト２６とワッシャー２８との電気的連通が除去される。従って、端子エンドキャップ１８と電極との間の電気的接続も除去される。絶縁体４０は、コンタクト２６の許容軸方向移動を制限すると共に、コンタクト２６とエンドキャップ１８の遠方端間の電気的連通を更に防止する。従って、第１コンタクト２６は、グロメット２２と一緒に内部セル圧力の変化に良好に応答し、そして内部圧力がおさまったときにスイッチを低圧力位置へ逆転させるのに良く適している。
【００５５】
又、図３−５の通気システムは、例えば、５００ないし９００ｐｓｉｇの高い内部セル圧力においてチャンネルから追い出される接着又は摩擦係合の円錐台形プラグ４２が圧力解放チャンネルに設けられるという点で、図２の場合とは若干異なるように構成される。図４を参照すれば、絶縁体４０は、端子エンドキャップ１８からプラグ４２へと半径方向に延びる。
【００５６】
動作中に、電気的コンタクト２６と２８との間の電気的接続が切断されると、電流がゼロに低下する。このゼロ電流は、従来のチャージャー回路（図示せず）によって検出され、そしてセルが完全に充電された信号として解釈することができる。次いで、チャージャー回路は、充電状態の終わりを知らせることができる。これらの回路は、従来型であると考えられる。より重要なことに、従来の金属水素化物再充電システムにおいて典型的である圧力、電圧、温度又は電流率の微妙な変化ではなく、完全な電流低下だけを検出すればよい。
【００５７】
圧力応答スイッチが低圧力位置から高圧力位置へバイアスされる内部セル圧力（「バイアス圧力」）は、バッテリのサイズ及び形状、充電率及び他の充電条件、例えば、周囲温度に基づいて変化し得る。例えば、バッテリのアノードがバッテリのカソードより著しく高い容量を有するときには、低い過剰充電率におけるセル内部圧力は、３０ないし５０ｐｓｉｇ等の比較的低いレベルで安定化される。同様に、充電率が高いほど、バッテリが完全充電状態に近づくか又は過充電状態に達したときにセル内部圧力が高くなる。従って、アノードに相当高い容量を有するバッテリに対してスイッチが形成されるとき、及び／又はバッテリが非常に低い率で充電されるときには、圧力応答スイッチのバイアス圧力は、バッテリが完全充電又は過充電状態に達したときに充電を停止できるよう確保するに充分なほど低くなければならない。これに対して、同様のアノード及びカソード容量を有するバッテリにスイッチが使用されるか、又はバッテリが高い率で充電されるときには、バイアス圧力は、バッテリの安全事項を満足するいかなるレベルにセットすることもできる。というのは、セル内部圧力がバイアス圧力に到達するという問題がないからである。
【００５８】
しかしながら、圧力応答スイッチは、セルが完全充電状態に到達したときに、過充電のような問題を防止するために内部圧力に接近したスイッチ圧力を有するのが好ましい。当業者であれば、完全充電又は過充電のポイントにおけるセルの内部圧力をいかに決定するか知っている。一般的に述べると、高速ニッケル金属水素化物再充電可能セルの場合、圧力応答スイッチは、約５０ｐｓｉｇないし５００ｐｓｉｇのバイアス圧力を有する。スイッチ圧力は、１００ないし４００ｐｓｉｇであるのが好ましい。又、スイッチ圧力は、２００ないし３００ｐｓｉｇであるのが最も好ましい。
【００５９】
図６を参照すれば、本発明の別の実施形態に基づいて構成された可逆圧力応答スイッチ１００が、ニッケルの再充電可能なセル１０４の開放端において正端子キャップ１０２内に配置されている。このセル１０４は、キャップ及びそれとセル電極との電気的接続はさておき、従来型でよい。本発明により構成されるセルは、巻線型正電極１０６及び負電極１０８をその内部に備え、負電極（水素化物電極のような）は、開放端及び閉止端を有するカン１１０に電気的接続され、そして正（例えば、ニッケル水酸化物）電極は、負のカン１１０の開放端に固定される正端子キャップ１０２に電気的接続される。このセルは、電解液、通常、水酸化カリウムを含む。
【００６０】
セル１０４の開放端は、好ましい実施形態に基づいて構成されたキャップ組立体１１２を備え、これは、カン１１０の開放端に配置される。負のカン１１０の開放端は、製造中にこの開放端にキャップ組立体１１２を密封式に受け入れるような形状にされる。セルカンの閉止端は、図示されていないが、従来型である。キャップ組立体１１２は、正端子キャップ１０２と、本発明により構成された圧力応答スイッチ１００とを備えている。
【００６１】
圧力応答スイッチ１００は、柔軟なシール及びメインスプリングの両方を与えるグロメット１１４を備え、このグロメットは、それを貫通して軸方向に延びる中央に配置された導電性コネクタ１１６即ち「リベット」又は「ピン」を有する。グロメット１１４は、セルの化学的特性に否定的に相互作用しない材料であって、圧力上昇に応答して移動して上記のように本発明のスイッチをバイアスするに充分なほど柔軟である材料で形成される。更に、グロメット１１４は、外方及び上方に延びるリップ１１５も備え、これは、セルの内部を外部から分離するためにカン１１０の開放端と気密シールを形成する形状及びサイズにされる。このリップは、半径方向内方に向いた空所１１７を形成し、これは、以下に詳細に述べるようにエンドキャップ組立体のコンポーネントにより占有される。図示された実施形態では、リップ１１５は、カン１１０の凹状の内面を受け入れるための凸状の外面を有し、セルの組み立て中にカンをしかるべき位置に圧着できるようにする。又、キャップ組立体１１２とカン１１０との間にアスファルトやタールのような任意のシール剤を使用して、開放端を更にシールすることもできる。
【００６２】
セルの内部に向かって、導電性タブ１１８が中央の導電性ピン１１６を正電極１０６に電気的に接続する。セルの外部に向かって、中央のピン１１６は、この中央のピンをその位置に固定するようにも働くコンタクトリング１２０にも電気的接触される。コンタクトリング１２０は、中央のピン１１６を取り巻くワッシャーであり、コンタクトプレート１２２と共に、内部空洞１２６に配置される。この内部空洞は、正端子キャップ１０２及び柔軟なグロメット１１４により画成される。従って、コンタクトリング１２０は、中央ピン１１６と常時電気的に連通する。空所１１７に固定されるのは、円形の導電性コンタクトプレート１２２及び正端子キャップ１０２であり、これは、セル１０４に対する標準的な正端子を形成するサイズ及び形状にされた乳首状突起１２４を有する。従って、コンタクトプレート１２２は、セル１０４が図６に示す低圧力状態にあるときには上記正エンドキャップ１０２及びコンタクトリング１２０の両方と電気的接続される。従って、乳首状突起１２４は、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、中央の導体１１６及びタブ１１８を経て電極１０６と電気的に連通する。
【００６３】
動作中に、グロメット１１４は、高い内部セル圧力に応答して外方に撓む。内部セル圧力がグロメット１１４を撓ませるに充分なほど高いときには、中央のピン１１６が過圧力ストッパー１２８に向かって押しやられ、それにより、コンタクトプレート１２０をコンタクトプレート１２２（図示せず）から軸方向に離すようにバイアスする。コンタクトリング１２０とコンタクトプレート１２２との間の電気的接続が終了し、それにより、乳首状突起１２４と電極１０６との間の電気的連通が終了する。従って、それ以上の充電が防止される。好都合にも、スイッチ１００は、過圧力状態がおさまると、コンタクトリング１２０とコンタクトプレートとの間の接続が再確立されるという点で、可逆である。又、キャップ組立体１１２の空洞において正端子キャップの乳首状突起１２４の内面には、非導電性の過圧力ストッパー１２８も設けられ、これは、必要に応じて接触圧力を予めかけるのに使用できる。
【００６４】
上述したように、過圧力状態がセル１０４内に存在すると、コンタクト１２０と１２２との間の電気的接触が切断され、セル１０４内の電流がゼロに落ちる。このゼロ電流は、従来のチャージャー回路により検出することができ、そしてセルが完全に充電されたという信号として解釈することができる。チャージャー回路は、次いで、充電の終了を知らせることができる。これらの回路は、従来型と考えられる。上述したように、圧力が上昇した後にセルにガスが発生すると、ダメージを与えるような温度上昇となり、セルのサイクル寿命を短くする。
【００６５】
図７には、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が示されている。特に、セル１５４は、開放端を有する負のカン１５２を備え、開放端は、製造中にこれにキャップ組立体１７２を受け入れて密封する形状にされる。セルカンの残り部分は、従来型である。キャップ組立体１７２は、正端子をセルに形成するサイズ及び形状にされた乳首状突起部１５７を有する正端子キャップ１５６を備えている。
【００６６】
図７に示す調整スイッチ１５０は、開放端にしっかり嵌合するサイズ及び形状にされた柔軟なグロメット１５８を備え、このグロメットには中央開口が貫通している。この中央開口には導電性コネクタ１６０がしっかり固定され、この導電性コネクタは、柔軟なグロメット１５２と一緒に移動する。第１導電性コンタクト１６２がコネクタ１６０を取り巻き、それと常時電気的連通する。第２の導電性コンタクト１６４がグロメット１５８の半径方向外壁から半径方向内方に延びており、その上面の少なくとも一部分がコンタクト１６２の下面と軸方向に整列されて切断可能に接触される。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、そしてグロメット１５８の軸方向変位を制限する。絶縁層１６８は、コンタクト１６２とストッパー１６６との間に配置される。従って、ストッパー１６６は、電気回路の部分を形成しない。
【００６７】
グロメット１５８は、セルの化学特性に悪影響を及ぼさない充分に柔軟で、非導電性の不活性材料で形成される。適当な材料は、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ナイロン及びその等効物を含むが、それらに限定されない。スイッチ素子の構成に基づき、スイッチ１５０は、以下の説明から明らかとなるように、圧力、温度又はその両方に応答する。
【００６８】
端子キャップ１５６及び柔軟なグロメット１５８は、キャップ組立体１７２内に空洞１７０を画成し、ここには、第１及び第２のコンタクト１６２及び１６４とストッパー１６６とが設けられる。第１及び第２のコンタクト１６２及び１６４は、図７に示すような円形ワッシャープレートであるが、上述したように、他の形状及びサイズで設けられてもよい。第２コンタクト１６４は、その半径方向内縁の近くに３つの突起１７４を含み、これらは、第１コンタクト１６２に向かって軸方向に延びそして互いに１２０°離間されている。内部圧力が、グロメット１５８の柔軟性により主として決定される所定のスレッシュホールド未満であるときには、突起１７４が第１コンタクト１６２の下面に接続され、これにより、電気回路を完成し、セルを充電できるようにする。
【００６９】
セルの内部に向かって、導電性タブ（図示せず）は、中央の導電性ピン１６０を上述したように正電極に電気的に接続する。グロメット１５８のハブは、更に、中央のピン１６０をその適切な位置に固定するように働く。グロメット１５８の周囲リップには、円形の導電性コンタクトプレート１６４と、正端子キャップ１５６とが固定される。コンタクトプレート１６４は、上述した正のエンドキャップ及びコンタクトリング１６２の両方に電気的接続するが、後者の接続は、高温度又は圧力状態が存在するときに切断される。
【００７０】
上述したように、エンドキャップ組立体１７２は、セルからの圧力を通気するためのシステムも含むことができる。組立体が通気システムを含むときには、導電性コネクタ１６０は、図３及び４において述べたのと同様に、柔軟なグロメット１５８の第１の側におけるセル内部から第２の側におけるエンドキャップ組立体１７２へガスを通流させるための圧力解放チャンネルを画成することができる。又、バッテリエンドキャップ１５６は、エンドキャップ組立体１７２から外部環境へガスを通流させるためにそれを通して延びる１つ以上の出口１７６も画成する。通気機構（「削除」シール４）は、可逆であってもよいし、又は非可逆であってもよい。ここに述べる通気システムが使用されない場合には、他の通気手段を設けることができる。
【００７１】
動作中に、グロメット１５８は、高い内部セル圧力に応答して、ストッパー１６６のスプリング力に対抗して正のエンドキャップ１５６に向かって軸方向下流に（可逆に）撓む。従って、調整スイッチ１５０は、閉じた位置（図７に示す）から開放位置（図示せず）へとバイアスされ、そこで、中央ピン１６０は、グロメット１５８と一緒に軸方向下流に移動する。従って、第１の電気的コンタクト１６２が第２コンタクト１６４から変位され、そして突起１７４から解放される。従って、コンタクトリング１６２とコンタクトプレート１６４との間の電気的接触が切断され、それ以上に充電が防止されるが、これは、過圧力状態がおさまって、グロメットが図７に示す位置へ復帰し、コンタクト１６２と１６４との間に電気的接続が再確立されるまでである。
【００７２】
図７に示すストッパー１６６は、更に、規定の温度に達したときに形状を変化する温度応答材料から製造されてもよい。このように、ストッパーは、ある内部セル温度で可逆にそれたり変形したりするように構成されて、中央ピンに対する予荷重力を減少又は除去し、そしてコンタクトリングとコンタクトプレートとの間の電気的接触を切断するのに必要な圧力を減少することができる。このようにして、たとえ過圧力状態がセル内に存在しなくても、潜在的に有害な温度上昇が防止される。動作中に、セルが所定の温度に到達すると、ストッパー１６６は、可逆にそれたり変形したりし、導電性コネクタ１６２をコンタクトプレート１６４から離すように引っ張り、従って、コンタクトリングとコンタクトプレートとの間の電気的接触を切断することができる。或いは又、ストッパー１６６は、導電性コネクタ又は中央ピン１６０及び上部キャップ１５６に接続することができる。
【００７３】
いかなる温度応答性材料も使用できるが、ストッパーは、熱膨張係数の異なる２枚の金属又は合金又は他の材料の層より成るバイメタルで形成されるのが好ましい。一方の層は、高い熱膨張係数を有し、そして他方の層は、低い熱膨張係数を有する。これは、各層に使用される金属又は合金の選択により定義できるやり方で温度に応答してバイメタルをそらせ又は変形させる。或いは又、ニッケル−チタン合金のような形状記憶材料を使用して温度応答性ストッパー１６６を形成することができる。
【００７４】
温度応答性ストッパー１６６は、更に、圧力応答性ストッパーとして動作することもできる。形状記憶材料は、ニッケル−チタン、銅−亜鉛−アルミニウム、又は銅−アルミニウム−ニッケルの合金を含む。これら材料は、図示された凹状円板形状１６６に予め成形され、これは、スプリングとして働くと共に、所定の大きさの力を付与し、この力は、導電性コンタクト１６２及びコンタクトプレート１６４を電気的連続性のために一緒に保持する。これらの材料は、所定温度に加熱されたときに変形及び平坦化するか、又は内部圧力が所定値に到達したときに平坦化状態になる特性を有する。これらの材料がニッケル−金属水素化物又はニッケル−カドミウムセルとで機能するための最も望ましい温度範囲は、７０℃ないし１００℃であることが分かっている。
【００７５】
更に、上記の実施形態に示されたストッパーも、温度及び／又は圧力に応答するように構成できることが明らかである。
【００７６】
上述したように、チャージャーは、充電がセル内のゼロ電流に基づいて終了されるか、又は充電時間が所定値に達したときに終了されるという結論になる。次いで、チャージャーは、充電を中断するか、又は充電を続けることができ、この場合には、圧力応答スイッチが開閉を続ける。それ故、充電は、タイマーがプリセット値の終了点に到達するまで続けられる。この充電モードは、３０分より速い率で充電するときに特に効果的であり、この場合、セルが完全充電状態に近づくと、圧力が著しく増加し、そして圧力スイッチングメカニズムによって与えられる電流のオン−オフは、最大充電状態までいっぱいに充電するように続けられる。セルが、非常に高速な充電率（３０分以内の充電終了）で、定電圧、定電流又は交流のもとで充電される場合には、充電中に完全セル充電に先立って内部セル圧力が増加することが知られているので、セルは、約７０−９０％にしか充電されない。本発明者は、非常に高速な充電率（３０分以内の充電終了）を得るときには、定電圧充電が、定電流又は交流充電よりも効果的であると決定した。というのは、定電圧では、充電電流が充電の終わりに向かって減少し続け、その結果、圧力及び温度が、定電流での充電に比して急速に上昇しないからである。例えば、定電圧では、スイッチを開く前に、８５−９０％までの充電を達成することができるが、交流では８０−８５％、そして定電流では６５−７０％である。ある例では、本発明により提供されるスイッチを使用して達成される高速充電は、セルの部分充電に関連した欠点を相殺する。
【００７７】
他の例では、セルが完全に充電されることを確保するために時間を犠牲にすることが望まれる。この例では、チャージャーがゼロ電流を検出すると、セルの内部圧力がおさまるまで待機し、そしてセルのＯＣＶを測定する（このようなセルではセルの減圧時間を最小にするために圧力解放通気口が特に好都合である）。ＯＣＶに基づいて、チャージャーは、セルが完全に充電されたかどうか決定することができる。
【００７８】
例えば、完全に充電された金属水素化物セルは、１．４２ＶのＯＣＶを有することが知られている。従って、充電されているセルのＯＣＶが、１．４２−１．４８Ｖの所定スレッシュホールドを越えた場合には、チャージャーは、セルが完全に充電されたと決定する。さもなければ、チャージャーは、セルがまだ完全に充電されていないと結論する。従って、セル内の圧力が消散して、コンタクト間に電気的接続が確立されると、チャージャーは、セルの内部圧力がその電気的接続を切断するまで、再びセルに交流充電又は定電流充電を受けさせる。この繰り返しプロセスは、セルが所定のＯＣＶに到達するか又は所定の繰り返し数に到達するまで続けられ、その時点で、チャージャーは、例えば、インジケーターを点灯することによりユーザに適当なメッセージを与える。或いは又、ユーザが充電終了（例えば、８０％容量）を選択し、その時点で、チャージャーがそれに対応するＯＣＶを計算し、そしてユーザが選択した充電終了スレッシュホールドにセルが到達したときに充電を終了することができる。
【００７９】
このプロセスは、定電流又は交流充電を使用するときには更に望ましいものとなる。というのは、セルが完全に充電される前に圧力が著しく蓄積することが知られているからである。定電圧充電がセルに適用される場合には、第１の繰り返しの後にセルが実質的に完全充電されることが予想され、従って、チャージャーは、ゼロ電流を検出し、そしてセルが完全に充電されたことを指示することができる。上述したゼロ電流方法は、定電流及び交流電流充電と組み合わせて使用することもできるが、第１の繰り返しが終了したときにセルが完全に充電されないことがある。
【００８０】
本発明により図示して説明した可逆スイッチの１つの効果は、充電終了の検出が酸素の再結合に依存しないことである。それ故、過剰なアノード容量を設ける必要はもはやない。カソードに酸素を、そしてアノードに水素を発生することができる。両ガスは、圧力に貢献する。この場合に、アノード容量は、セル容量の正味増加として、カソード容量に等しくすることができる。充電電流が止まると、酸素が水素と再結合して水を形成する：１／２Ｏ２＋Ｈ２  →  Ｈ２Ｏ。
【００８１】
別の効果は、非ガス浸透性セパレータを使用できることである。これは、ガスをアノードと再結合させるためにセパレータ内に開放流チャンネルを設ける必要性を排除する。このようなチャンネルは、セパレータを乾燥させそしてセルのサイクル寿命を制限するよう寄与する。本発明の圧力応答スイッチでは、付加的な電解液がチャンネルを満たすことができる。それ故、サイクル寿命及び放電効率が高くなる。
【００８２】
別の効果は、充電終了状態を検出するために精巧な分析回路が使用されず、従って、関連チャージャー装置のコストが低減することである。
【００８３】
更に別の効果は、公知のセルよりも速い率で充電を実行できることである。例えば、本発明による再充電可能な金属水素化物バッテリは、４５分以内に充電することができ、好ましくは３０分以内に充電することができ、そして最も好ましくは２０分以内に充電することができ、ＮｉＭＨ  １．３Ａｈ  ＡＡセルの場合には１０ないし１５分で充電することができ、一方、従来のセルは、充電に約１時間以上を要する（１．２Ｃ）。本発明は、充電の終わりの過圧力及び高温度状態に関する問題を排除するので、充電率を加速することができる。この点に関して、１時間未満の充電率の高速充電を達成することができる。
【００８４】
更に別の効果として、本発明のセルは、従来の再充電可能な金属水素化物バッテリよりも高い容量をもつことができる。これは、本発明により構成されたセルは、アノード材料対カソード材料のバランスが良いためである。アノードがカソードより４０−５０％も大きな過剰容量を有する公知のセルとは異なり、本発明のセルは、その好ましい実施形態では、アノード材料対カソード材料の比が重量で０．９：１ないし１．５：１の範囲のいずれかの値である。
【００８５】
更に別の効果は、ガス不浸透性のセパレータを実施でき、これは、公知技術のものより薄く且つ高密度で、セル内に電解液のためのより多くの余地を残せることである。従って、放電効率と同様、サイクル寿命が延長される。
【００８６】
特に、充電中にカソードに酸素をそしてアノードに水素を発生することができる。両ガスは、圧力に貢献する。この場合に、アノード容量は、セル容量の正味増加として、カソード容量に等しくすることができる。充電電流が止まると、酸素が水素と再結合して水を形成する：１／２Ｏ２＋Ｈ２  →  Ｈ２Ｏ。このような実施形態では、セパレータがガス不浸透性であるため、公知技術のセルにおいてセパレータが完全に飽和するのを防止するために電解液の充填に課せられた制限が排除される。
【００８７】
更に、公知の再充電可能な金属水素化物セルのカソードは、通常、形式ＡＢ５合金を含むが、過圧力問題のためにこのようなセルには従来不利であった高容量のＡＢ２合金を使用することもできる。
【００８８】
本発明は、更に、本発明の圧力応答スイッチを含むセル又は複数のセルを充電する方法も包含する。この方法は、セル（１つ又は複数）を専用チャージャーのような電源に接続し、セルの内部圧力が所定レベルに到達するまでセルを充電し、所定レベルに到達した際に、スイッチを高圧力位置へバイアスし、そして充電回路を遮断するという段階を備えている。充電回路が遮断されると、充電電流のゼロへの降下を手動で又は自動的に記録することができる。バッテリを充電するのに使用されるチャージャーは、ゼロ充電電流を検出するための回路、又は所定値又は終了にセットされたタイマーと、充電が終了したことを表示するためのインジケータとを含むことができる。或いは又、上述したように、チャージャーは、セルを完全に充電するために複数の充電繰り返しを受けることができる。
【００８９】
本発明による可逆スイッチを組み込んだセルを充電するためにいかなる形式の方法を使用してもよいが、定電圧充電方法が好ましい。というのは、充電が進むにつれて、セルが過充電や過圧力を受ける問題を伴うことなく、電流がそれ自身の減少するレベルを求めることができるからである。一定印加電圧の充電方法では、充電中にセル電圧が上昇するにつれて、電流が充電の終わりに向かって自動的に減少される。従って、充電電流は、充電の始めにセルの電荷受け入れ性が高いときには高く、そして充電の終わりに向かってセルの電荷受け入れ性が減少されるときには低い充電電流へと漸次減少する。高価で複雑な充電制御は、必要とされない。セルへ流れ込む電流は、セルの内部抵抗と、セル自身の充電状態とによって調整される。セルが完全充電に到達すると、増加する内部圧力で圧力スイッチが作動され、充電が遮断される。従って、充電が終了したことをチャージャーが指示するときには、セルが完全充電又はほぼその状態となる。
【００９０】
好都合にも、並列なセルのストリングを同じ電圧ソースで充電することができる。又、本発明によれば、直列の多数のセルを一緒に充電することもでき、これは、セルの開路電圧に等しい充電電圧と、セルの内部抵抗及び回路の予め配置された抵抗により生じる過電圧とを加えたものを受け取ることにより行われる。好都合にも、定電圧充電では、充電の始めにセルが高い電流を受け入れられるときに充電電流を増加できることにより、定電流充電より高速の充電率に到達することができる。
【００９１】
しかしながら、本発明は、定電流及び交流充電にも等しく適用できることが明らかであろう。上述したように、金属水素化物セル内の圧力は、セルの充電が本質的に完了したときに急速に上昇することが知られている。又、上述したように、圧力が上昇すると、セルにガスが発生した後、ダメージを及ぼすような温度上昇が生じ、セルのサイクル寿命を短縮させる。従って、圧力が上昇し始めたときに、破壊的な過圧力状態が始まる前に、充電を終了することが望まれる。
【００９２】
例
１５分以内に充電されるべきニッケル金属水素化物セルの場合には、好ましい一定充電電圧は、１０アンペアの電流において６秒の間隔でセルＯＣＶセル電圧間の電圧差により決定された３０−４０ｍΩの内部抵抗をもつＡＡセルに対して約１．６Ｖないし１．６５Ｖである。内部抵抗の低いセル（例えば、内部抵抗が１０−２０ｍΩのＣサイズセル）の場合には、１．６Ｖより低いが１．５Ｖより高い充電電圧を印加することができる。本発明者は、周囲温度が氷点より高いときには定電圧充電が好ましく、一方、周囲温度が氷点より低いときには定電流充電が好ましいことを実験で決定した。
【００９３】
エンドキャップ組立体に圧力応答スイッチを含む市販のＡＡ及びＡＡＡニッケル金属水素化物セルは、１５ないし３０分で完全に充電され、そして圧力応答スイッチが高圧力状態にバイアスされたときに充電が終了された。圧力信号は、延長したサイクルでも一貫したもので、再現性があった。周囲温度が氷点より高いときには、定電圧充電方法が好ましいことが示された。周囲温度が氷点より低いときには、定電流方法がより有効であった。ＡＡ  ＮｉＭＨ消費者用セルの圧力上昇及び下降の傾斜は、サイクルの進行中に比較的一定に保たれた。一定電圧を使用するときの電流漸次減少作用は、セルを完全充電状態にするための時間に伴う圧力上昇を低くした。又、電流の降下は、同じ充電周期に対して温度上昇も低くした。充電は、高い電圧ほど迅速であることが実証されたが、このような状態のもとでは高いセル温度も記録された。
【００９４】
上述したように、金属水素化物セル内の圧力は、セルの充電が本質的に完了したときに迅速に上昇することが知られている。より詳細には、圧力が上昇すると、セルにガスが発生した後、ダメージを及ぼすような温度上昇が生じ、セルのサイクル寿命を短縮させる。従って、破壊的な過圧力又は過熱状態のおそれを減少するやり方でセルを充電することが望ましい。
【００９５】
定電流充電方法、又は定電圧充電方法、或いはそれを組み合わせた方法、例えば、定電流の後に定電圧で充電する方法を、本発明により使用することができる。交流充電方法は、電流が変調され、従って、過充電、過圧力又は過熱のおそれが少ないので、好ましい。高価で複雑な充電制御電子回路は、必要とされない。
【００９６】
交流電流又は電圧の波形の特性は、通常、正弦波であるが、これに限定されない。交流電流又は電圧波形に全波又は半波整流を適用することができる。
【００９７】
図８は、一般の６０Ｈｚライン電源から導出された交流であって１２０Ｈｚの交流周波数を生じるように全波整流されたものを使用して充電された１６００ｍＡｈニッケル金属水素化物セルに対するセル圧力及び温度を示す。セル圧力及び温度の変化は、充電の終わりに、定電流即ち直流充電に比して低い。
【００９８】
図９は、図８と同様の交流を使用して充電された１６００ｍＡｈニッケル金属水素化物セルに対するセル圧力及び温度を示す。セル圧力及び温度の変化は、充電の終わりに、定電圧即ち直流充電に比して低い。
【００９９】
ここに示す例は、一般の６０Ｈｚライン電源から導出された全波整流された電流を使用する。本開示により包含される他の実施形態は、全波整流された交流電圧、或いは半波整流された正弦波交流電流又は電圧を含む。別の実施形態は、任意の周波数の交流電流又は電圧充電である。更に別の実施形態は、方形波、三角波（又は鋸歯状波）、或いは任意の波形又は波形の組合せを含む波形より成る交流電流又は電圧である。更に別の実施形態は、任意の周波数又は周波数の組合せ、或いは任意の波形又は波形の組合せより成る整流された及び非整流の交流電流又は電圧の組合せである。好都合にも、上述した圧力応答スイッチを有するセルによりこれら充電方法のいずれを使用することもできる。
【０１００】
図１０には、本発明の別の実施形態により充電終了点を決定するための装置が示されている。より詳細には、従来の再充電可能なＡＡバッテリ２１０は、正端子端２１１と、負端子端２１３とを有する。バッテリ２１０は、好ましい実施形態に基づくニッケル金属水素化物セルを有するが、本発明によりいかなる適当なサイズのいかなるニッケルベースの再充電可能なセルも使用できることが当業者に明らかであろう。バッテリは、その外面に巻き付けられたラベル２１２を含むように変更されており、これは、好ましい実施形態ではコンスタンタンを含む一体的な金属フィルム歪計２１４を有している。歪計２１４は、その両端が、対応する一対のコンタクトバンド２１６で終わり、これらバンドも、セルの周りに巻き付けられ、そして導電性であって、歪計の両端と各々電気的に連通し、以下に詳細に述べるように、歪計の抵抗値を測定することができる。
【０１０１】
又、図１４ないし１６も参照すれば、ラベル２１２は、その半径方向内面から始めて、接着層２４４と、それに続いて、絶縁層２４２と、金属層２４０とを備え、この金属層は、「曲がりくねった」形状に配置された金属フィルム２１４及び該フィルム２１４の各側に配置された一対のコンタクトバンド２１６を有し、そして最後に、外面にグラフィックが付着される外側絶縁層２３８を備えたラミネートである。外側の絶縁層は、これを通して延びて一対のコンタクトバンド２１６の少なくとも一部分に整列された一対の孔２３９を含み、従って、コンタクトバンド２１６は、露出状態に保たれ、以下に述べるように、チャージャー２１８のコンタクト２３４及び２３６にアクセスすることができる。次いで、ラベル２１２がバッテリ２１０の周りに巻き付けられ、フィルム２１４は、以下に詳細に述べるように、バッテリの外面の膨張を指示する歪計を形成する。或いは、金属フィルム２１４は、螺旋構成にすることもできるが、この場合には、フィルム層２４０をバッテリ２１０の周りに何回も巻き付けることが必要となり、製造プロセスのコスト及び複雑さが増大する。
【０１０２】
従って、バッテリ２１０は、種々のサイズの多数のバッテリを受け入れるように構成された従来のバッテリチャージャー２１８に配置すべく操作できる。より詳細には、第１の壁２２０が、チャージャー２１８のベース２２２から垂直に延び、そして正のコンタクト２２４を有する。第２の壁２２６が、ベース２２２の反対側から垂直に延び、バッテリ包囲体２２８を画成する。スライド可能な壁２３０は、負のスプリングコンタクト２３２を有し、バッテリ２１０を経て再充電電流を通流できるようにする。好ましい実施形態によれば、チャージャー２１８は、定電流をバッテリ２１０に供給するが、定電圧充電も利用でき、本発明に適合し得ることが明らかであろう。
【０１０３】
種々のサイズのバッテリを受け入れるために、壁２３０は、矢印Ａ及びＢの方向にガイドレール（図示せず）に沿ってスライドして、小さな長さ及び大きな長さのバッテリを各々受け入れることができる。一対のコンタクト２３４及び２３６がベース２２２から上方に延び、チャージャー２１８におけるバッテリの半径方向の配向に関わりなくバッテリ２１０のコンタクトバンド２１６に係合するようにスプリング取り付けされる。コンタクト２３４及び２３６は、更に、以下に詳細に述べるように、充電終了点を決定するようプログラムされたチャージャー２１８の制御回路又はマイクロプロセッサ等（図示せず）に電気的接続される。
【０１０４】
コンタクト２３４は、正端子端２１１から所定距離Ｄ１だけ更に変位され、そしてコンタクト２３６は、コンタクト２３４から所定距離Ｄ２だけ変位される。従って、バンド２１６も、バッテリのサイズに関わらず、正端子２２４から各々Ｄ１及びＤ２だけ変位されるように製造される。その結果、コンタクト２３４及び２３６は、バッテリのサイズに関わらず、バッテリのバンド２１６と軸方向に整列される。更に、コンタクト２３４及び２３６は、スプリング力のもとで半径方向に変位可能であるから、サイズＡＡＡ、Ｃ及びＤセルを含む（それに限定されない）いかなるサイズの円筒状セルにも係合することができる。本発明は、正のコンタクト２２４がスライド可能であり、そしてバンド２１６とコンタクト２３４及び２３６が負のコンタクト２３２から所定の距離に配置されることも想定している。チャージャーは、更に、当業者に明らかなように、９ボルトバッテリの端子端を受け入れるように構成することもできる。
【０１０５】
従来の充電終了システムでは電圧及び温度の変化率が使用され、これは、理論的には、充電終了点を与えるように使用できるが、これらの値はゆっくりと変化し、バッテリの実際の充電よりも遅れる。従って、これら公知システムは、セルを過充電する危険があり、従って、エンドユーザにとって望ましくない低速な率でバッテリが充電されない限り、潜在的な危険を招く。
【０１０６】
再充電可能なセルは充電中に圧力を蓄積するので、その結果、バッテリの外面が膨張し、従って、歪計２１４も膨張して、その抵抗値を変化させる。又、バッテリ２１０の温度も充電中に上昇して、バッテリの外面を更に膨張させ、歪計２１４の抵抗値に更に影響を及ぼす。更に、セル２１０内の温度及び圧力の変化率、ひいては、歪計２１４の抵抗値は、バッテリがその充電終了点に近づくにつれて、予想し得る仕方で時間の関数として変化する。好ましい実施形態によれば、歪計２１４の抵抗値の変化率（ｄＲ／ｄｔ）がプロセッサによって測定されて、充電終了点の指示が与えられる。従って、バッテリ２１０の外壁の膨張率を使用して、充電終了点が決定される。次の式を使用して、抵抗変化ΔＲを、圧力変化ΔＰ及び温度変化ΔＴに関係付ける。
ΔＤ／Ｄ＝ＤΔＰ／２ｔＥ                                （１）
ΔＲ／Ｒ＝ｋｇ（ｋｔΔＴ＋ＤΔＰ／２ｔＥ）                （２）
【０１０７】
但し、ｋｇは、歪計ファクタであり、Ｔは、温度であり、ｋｔは、カン材料の熱膨張係数であり、Ｄは、充電前のセルの直径であり、Ｅは、カン材料のヤング率であり、Ｐは、バッテリ２１０の内部圧力であり、そしてｔは、充電前のカンの外壁の厚みである。時間に対する式２の導関数は、次の式を生じる。
【数１】
2004517440.tif 000003
【０１０８】
所与のセルが最初にチャージャー２１８に配置されたときにはそのセルの充電状態が分からず、そして所与のセルの特定の歪計２１４の公称抵抗値が分からないので、この方法では、圧力又は温度の絶対値を検出することはできない。しかしながら、圧力、温度及び抵抗値の変化率は、測定可能であると共に、予想し得る仕方で振舞い、従って、充電終了点を決定するための基準として使用される。歪計２１４は、圧力及び温度の両方を感知するが、圧力の変化率からの貢献の方が、充電周期の終わりに向かって温度のそれよりも大きく、従って、優勢となる。その結果、温度の変化率の低速反応は、充電終了点の決定に悪影響を及ぼさない。直列に配線された複数のバッテリに対して充電終了点を決定することが望まれる場合には、コンタクトバンド２１６、ひいては、歪計２１４も直列に配線され、そして所望のパラメータ（圧力又は抵抗値）の全変化率を決定することができる。
【０１０９】
歪計２１４の抵抗値Ｒは、コンタクトバンド２１６に電流を供給しそして歪計２１４にまたがる電圧降下を測定することにより決定できる。或いは又、当業者に明らかなように、ブリッジ回路を使用して、歪計２１４からの信号の変化を増幅することもできる。充電中に抵抗値を常時サンプリングし、その変化率が所定のスレッシュホールド基準を満足するまでサンプリングを行い、その基準を満足すると、充電終了点が指示される。そのとき、チャージャー２１８のインジケータ（図示せず）が作動されてユーザに通知すると共に、チャージャーは、バッテリ２１０から充電電流を中断する。従って、枯渇したバッテリを２３０分以内に完全に充電する高速充電組立体に対して充電終了点を指示するための信頼性のあるインジケータが与えられる。
【０１１０】
本発明は、充電中に従来型バッテリの固有の応答の利点を取り入れるものである。その結果、ラベル２１２を、上述したようにいかなる既存の従来型ニッケルベース（又はそれと同等）の再充電可能なバッテリにも好都合に適用して、それを本発明に適合させることができる。
【０１１１】
更に、本発明は、セルラー電話等のバッテリパックの再充電において実施できることも明らかであろう。これらのバッテリパックは、複数のセルが直列に接続されて、各セルに対応する複数の歪計を有し、そしてバッテリパックの付加的なコンタクトにも直列に接続されて、チャージャーの制御回路と電気的に連通し、上述したように、圧力、温度及び抵抗の変化率を決定する。或いは又、圧力スイッチについて上述したように、セルをチャージャーに配置して、充電中に並列に接続することもできる。
【０１１２】
抵抗及び／又は圧力の変化率に基づいてサイズＡＡバッテリの充電終了点を実験で決定するために、ニッケル金属水素化物ＡＡセルをテストした。以下に述べる実験結果を使用して、所与のセルの充電終了点を決定するようにチャージャー２１８の制御回路をプログラムすることができる。以下の説明は、１つの特定のセルの一例に過ぎず、そしてその結果は、セルごとに変化することを理解されたい。従って、本発明は、以下に述べる結果に何ら限定されるものではない。むしろ、以下に述べる結果は、所与のセルの充電終了点に対応する抵抗及び／又は圧力の変化率を立証するもので、これを使用して、好ましい実施形態に基づきチャージャー２１８の制御回路をプログラムすることができる。
【０１１３】
テストバッテリを研究室用バッテリチャージャーに配置しそして定電流再充電を受けさせた。充電時間、電流及び電圧を、対応する圧力及び温度ゲージを使用してセル内の圧力及び温度と共に測定した。上記式１−３を使用して、ｄＰ／ｄｔ；ｄＴ／ｄｔ；Ｒ＊ｋｇ＊（Ｄ／２Ｅｔ）＊ｄＰ／ｄｔ；Ｒ＊ｋｇ＊ｋｔ＊ｄＴ／ｄｔ；及びｄＲ／ｄｔのような種々の値を計算した。
【０１１４】
バッテリの充電終了点は、セルの圧力に基づいて分かり、その点において、式３の値は、同様のＡＡセルを充電するときにスレッシュホールド率値を対応的に与えるように決定された。充電の始めに異なる残留電荷をもつ異なるセルは、充電時間も異なることが明らかである。しかしながら、時間に伴う圧力、抵抗及び温度の変化率に関連した振舞いは、複数のセル間で予想できる状態に保たれる。それらの結果が、図１１−１３にプロットされている。
【０１１５】
この例では、Ｒ及びｋｇの値が、典型的な市場で入手できる歪計に相関するように選択された。次いで、ｄＲ／ｄｔ＝０．０５５Ω／分のスレッシュホールド値が充電終了点に対応することが決定された。又、ｄＰ／ｄｔ＝５５ＰＳＩ／分のスレッシュホールドも、充電終了点に対応したものであった。
【０１１６】
従って、これらの値は、チャージャー２１８の制御回路にプログラムすることができ、これは、次いで、（１）ｄＲ／ｄｔを直接測定してそれをスレッシュホールド値と比較するか、又は（２）ｄＲ／ｄｔをｄＴ／ｄｔと共に測定し（充電されているバッテリと熱的に連通しているチャージャー２１８の温度センサを使用して）、ｄＰ／ｄｔを対応的に計算してその値を所定のスレッシュホールドと比較することにより、バッテリ２１０の充電終了点を識別することができる。チャージャーのサーモカップルがセルに接近される。サーモカップルは、充電されている各セルに個々に関連することもできるし、或いは単一のサーモカップルを使用して各セルの充分な近似を与えることもできる。
【０１１７】
図１７には、１．６５Ｖの一定電圧で充電される４個の１６００ｍＡｈニッケル金属水素化物セルのグループに対するセル内部圧力対時間が示されている。内部圧力は、セルが１２分で完全充電に達するときに３００ｐｓｉｇに上昇する。圧力は、セルの放電に続いて初期状態に復帰する。これは、ニッケル金属水素化物セルの内部圧力が予想し得る仕方で上昇及び下降することを立証するもので、これは、非常に高い充電率のもとで充電を終了するための信頼性の高い信号として使用することができる。従って、セルのグループは、圧力を充電終了信号として確実に充電及び放電することができる。
【０１１８】
図１８を参照すれば、１３００ｍＡｈのＮｉＭＨセルの典型的な充電及び放電特性が、３Ａの定電流充電及びそれに続く１Ｖへの１Ａ放電のもとで測定された。圧力、温度及び電圧を測定し、時間に対してプロットした。これは、圧力が、温度及び電圧よりも非常に強力な充電終了信号になることを示している。圧力は、温度及び電圧よりも非常に迅速な割合で上昇し、それ故、圧力は、温度及び電圧よりも充電終了に対するより適当な信号である。
【０１１９】
図１９ないし２１を参照すれば、圧力上昇及び下降の傾斜は、図２２に示した電圧に比して、サイクル動作中に比較的一定に保たれる。これは、セルの充電終了点の指示としての圧力の信頼性を更に示すものである。
【０１２０】
図２３を参照すれば、３個の１６００ｍＡｈのニッケル金属水素化物セルが、３．７Ａの定電流充電及び放電を１５０回受けた。セルの内部圧力がサイクル１及びサイクル１５０に示され、そして時間に対してプロットされた。これは、サイクル寿命並びに異なるセルサイズ及び容量に対して圧力信号が再現可能であることを更に示す。
【０１２１】
図２４を参照すれば、２つの小型の５５０ｍＡｈのニッケル金属水素化物セルを直列に接続し、そしてセル当たり１．６５Ｖの定電圧充電ソースで充電した。内部圧力、温度及びアンペア値を測定して、時間に対してプロットした。
【０１２２】
図２５は、６Ａの一定電流のもとで充電された第１セルと、１．６５Ｖの一定電圧のもとで充電された第２セルの容量の関数として内部セル圧力を示す。図２６は、第１及び第２セルの容量の関数としてセル電流を示す。図２７は、第１及び第２セルの容量の関数として内部セル温度を示す。図２８は、第１及び第２セルの容量の関数としてセル電圧を示す。図示されたように、定電流に勝る定電圧の１つの重要な利点は、セル電圧が印加電圧付近まで上昇したときに充電の終わりに向けて充電電流を漸次減少できることである。この漸次減少する作用は、充電の終わりにおける圧力上昇を低くし且つ温度上昇を低くし、従って、セルをより完全な充電状態にすることができる。又、電流の降下は、同じ充電周期に対し正味温度上昇を低くする。
【０１２３】
図２９では、２つの異なる電圧条件のもとで充電された２つのセルに対しセルの温度及び充電入力容量が時間の関数としてプロットされている。同じ内部抵抗をもつセルに対し、充電電圧が高いと、充電電流も高いことが観察される。従って、電圧が高いほど、充電が迅速になるが、充電電圧が高いほど、セルが高温になる。この図は、更に、充電電圧が高いほど、セルは、より速く高い充電状態に達することを示している。又、高い充電電圧のセルの場合に圧力作動スイッチが開くときには、セルの温度が、スイッチのオン−オフ状態の結果として降下することも示している。セルは、この状態で充電を受け入れ続けるが、圧力スイッチにより与えられる間欠的な電流条件のもとで低い温度にある。これは、充電状態の終了を調整するための手段として圧力スイッチを有する効果である。
【０１２４】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに多数の変更がなされ得ることが明らかであろう。本発明の範囲内に包含される種々の実施形態を周知させるため、前記特許請求の範囲が作成された。
【図面の簡単な説明】
【図１】
セル圧力を制御する酸素再結合反応を示す図である。
【図２Ａ】
本発明の好ましい実施形態によって構成された圧力応答スイッチ及び圧力解放通気口を含むエンドキャップ組立体を低圧位置において示した断面図である。
【図２Ｂ】
図２Ａのエンドキャップ組立体を高圧位置において示した断面図である。
【図３】
本発明の別の実施形態によって構成された圧力応答スイッチ及び圧力解放通気口を含むエンドキャップ組立体を低圧位置において示した断面図である。
【図４】
図３のエンドキャップ組立体の断面正面図である。
【図５】
図３のエンドキャップ組立体のコンポーネントの分解図である。
【図６】
本発明の別の実施形態により構成されたスイッチを組み込んだセルの正端子を示す側面断面図である。
【図７】
本発明の別の実施形態により構成されたスイッチを組み込んだセルの正端子を示す側面断面図である。
【図８】
交流及び定電流充電中のニッケル金属水素化物セルに対する容量（Ａｈ）対ΔＰ（ｐｓｉｇ）をプロットしたグラフである。
【図９】
交流及び定電圧充電中のニッケル金属水素化物セルに対する容量（Ａｈ）対ΔＰ（ｐｓｉｇ）をプロットしたグラフである。
【図１０】
歪計組立体を有するセルを含む好ましい実施形態に基づいて形成されたバッテリ充電組立体の側面断面図である。
【図１１】
ＡＡサイズのニッケル金属水素化物セルの充電中に得られる圧力及び温度対時間をプロットしたグラフである。
【図１２】
ニッケル金属水素化物セルの充電中に得られるｄＰ／ｄｔ及びｄＴ／ｄｔ対時間をプロットしたグラフである。
【図１３】
ニッケル金属水素化物セルの充電中に得られるｄＲ／ｄｔ及びその成分対時間をプロットしたグラフである。
【図１４】
図１０に示すバッテリのラベルの斜視図である。
【図１５】
図１０に示すラベルの分解組立図である。
【図１６】
図１０に示すラベルの金属フィルム層の斜視図である。
【図１７】
複数のセルに対する内部セル圧力（ｐｓｉｇ）対時間（ｍｉｎ）をプロットしたグラフである。
【図１８】
定電流充電を使用して充電しそしてその後に放電する間に、セルの圧力、温度及び電圧対時間（ｍｉｎ）をプロットしたグラフである。
【図１９】
定電流充電を使用して充電しそしてその後に放電する間に、種々のサイクルに対して内部圧力（ｐｓｉｇ）対時間（ｍｉｎ）をプロットしたグラフである。
【図２０】
充電中に図１９に示すセルに対する圧力上昇をプロットしたグラフである。
【図２１】
放電中に図１９に示すセルに対する圧力降下をプロットしたグラフである。
【図２２】
定電流充電のもとで異なるサイクルにおけるセルの圧力及び温度対時間をプロットしたグラフである。
【図２３】
定電流充電のもとで異なるサイクルにおける複数のセルの圧力対時間をプロットしたグラフである。
【図２４】
定電圧充電のもとで複数のセルの圧力、温度及び電流対時間をプロットしたグラフである。
【図２５】
定電流充電及び定電圧充電の間に内部圧力対容量をプロットしそして比較するグラフである。
【図２６】
定電圧及び定電流のもとで充電する間に２つのセルの電流プロフィールをプロットしそして比較するグラフである。
【図２７】
定電流及び定電圧のもとで各々充電された２つのセルに対するセル温度対容量をプロットしそして比較するグラフである。
【図２８】
図２７に示す２つのセルに対する電圧プロファイル対時間をプロットしそして比較するグラフである。
【図２９】
異なる定電圧のもとで充電する間に温度及び容量対時間をプロットしそして比較するグラフである。
【図１】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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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２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際公開パンフレット】
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2004517440.tif 000091
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月19日(2002.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２Ｂ】
2004517440.tif 000092
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月27日(2002.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びる再充電可能な電気化学セルにおいて、
（ａ）開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを備え、上記内部空洞には正及び負の電極が配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲し、
（ｂ）エンドキャップ組立体を更に備え、該組立体は、
ｉ．上記カンから半径方向内方に延びる柔軟な部材であって、内部セル圧力に応答して第１位置から第２位置に向かって撓む柔軟な部材と、
ｉｉ．上記端子エンドキャップと電気的に連通する第１の堅牢な導電性素子と、
ｉｉｉ．上記正電極と電気的に連通し、上記第１導電性素子と除去可能に電気的連通しそして上記柔軟な部材と機械的に連通する第２導電性素子と、
を含み、そして
上記第１及び第２の導電性素子は、上記柔軟な部材が充電中に所定のスレッシュホールドを越える内部圧力に応答して上記第２位置に向かって撓むときに電気的連通から除去される電気化学セル。
【請求項２】
軸方向に延びる再充電可能な電気化学セルにおいて、
（ａ）開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを備え、上記内部空洞には正及び負の電極が配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲し、
（ｂ）エンドキャップ組立体を更に備え、該組立体は、
ｉ．上記カンから半径方向内方に延びる柔軟な部材であって、内部セル圧力に応答して第１位置から第２位置に向かって撓む柔軟な部材と、
ｉｉ．中央の開放部分と、上記端子エンドキャップに電気的に連通する外側部分とを画成する第１導電性素子と、
ｉｉｉ．上記正電極と電気的に連通し、上記第１導電性素子の外側部分と除去可能に電気的連通し、そして上記柔軟な部材と機械的に連通する第２導電性素子と、
を含み、そして
上記第１及び第２の導電性素子は、上記柔軟な部材が充電中に所定のスレッシュホールドを越える内部圧力に応答して上記第２位置に向かって撓むときに電気的連通から除去される電気化学セル。
【請求項３】
上記柔軟な部材は、上記内部圧力が上記所定スレッシュホールドより下がったときに第１位置から第２位置へ復帰する請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項４】
上記第２導電性素子は、上記柔軟な部材に接続されると共に、上記第１導電性素子と少なくとも部分的に軸方向に整列され、そして上記第２導電性素子は、上記柔軟な部材が第２位置にあるときに軸方向外方に変位される請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項５】
上記端子キャップと柔軟な部材との間に配置された非導電性のスプリング部材を更に備え、上記柔軟な部材の変位量を制限すると共に、上記第１及び第２導電性素子間に接触を維持するための予配置スプリング力を課する請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項６】
上記柔軟な部材は、半径方向内方に延びる空洞をその周囲に画成し、該空洞は、上記エンドキャップ及び第１導電性素子の遠方端を含む請求項１又は２に記載のセル。
【請求項７】
上記カンは、上記セルの開放端をシールするように上記柔軟な部材上に圧着される請求項６に記載のセル。
【請求項８】
上記端子エンドキャップは、正端子のエンドキャップである請求項１又は２に記載のセル。
【請求項９】
上記第１導電性素子の軸方向下流に配置されたストップワッシャーを更に備え、上記柔軟な部材が上記第２位置にあるときに上記第１導電性素子の軸方向移動を制限する請求項１又は２に記載のセル。
【請求項１０】
上記内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときにセルから気体を逃せるように構成された上記端子エンドキャップを通して延びる穴を更に備えた請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
上記柔軟な部材は、上記カンの内部空洞を上記エンドキャップ内に配置された第２内部空洞から分離し、上記セルは、上記柔軟な部材を通して延びる開口を更に備え、上記カンの内部空洞と上記第２の内部空洞との間にコンジットを形成する請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
上記開口内に配置されたプラグを更に備え、該プラグは、上記内部圧力が第２の所定スレッシュホールドに達したときに変位できる請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
上記プラグは、弾性変形可能である請求項１２に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
上記開口内に配置されたスプリング部材を更に備え、このスプリング部材は、流体が上記カンの内部空洞から上記第２内部空洞へ流れるのを防止するように動作し、そして上記スプリング部材は、上記内部圧力が第２の所定スレッシュホールドに到達したときに変位できる請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
上記セルは、定電流充電のもとで充電可能である請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１６】
上記セルは、１時間より速い率で充電可能である請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項１７】
上記セルは、定電圧充電のもとで充電可能である請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項１８】
上記セルは、可変電流充電のもとで充電可能である請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項１９】
上記可変電流充電は、半波整流の交流充電である請求項１８に記載の電気化学セル。
【請求項２０】
上記可変電流充電は、全波整流の交流充電である請求項１８に記載の電気化学セル。
【請求項２１】
上記可変電流充電は、直流によりオフセットされた交流である請求項１８に記載の電気化学セル。
【請求項２２】
上記セルは、最小スレッシュホールドと最大スレッシュホールドの間で変化する電圧で充電できる請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項２３】
正電極と負電極の間に配置されたセパレータを更に備え、このセパレータは、気体不浸透性である請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項２４】
上記第２導電性素子は、更に、
上記正電極から延びる一端と、該第１端とは反対の第２端とを有する第１コンタクトと、
上記柔軟な部材を通して延び、上記第１コンタクトの第２端に接触する第１端と、該第１端とは反対の第２端とを有する第２コンタクトと、
上記第２コンタクトの第２端と接触する第１端と、該第１端とは反対で、上記第１導電性素子に除去可能に接触する第２端とを有する第３コンタクトと、
を備えた請求項１又は２に記載の電気化学セル。
【請求項２５】
上記第１導電性素子は、環状である請求項２に記載の電気化学セル。
【請求項２６】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
（ａ）電気化学セルを備え、このセルは、
ｉ．開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、上記内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲しており、
ｉｉ．更に、上記端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして
ｉｉｉ．更に、上記リンケージを切断する高い内部圧力に応答するスイッチを含み、そして
（ｂ）上記電気化学セルを受け入れて定電圧充電をそこに供給するように構成されたセルチャージャーを備え、充電中に内部圧力が発生されて、その内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システム。
【請求項２７】
上記セルは、更に、アノードとカソードとの間に配置された気体不浸透性セパレータを備えた請求項２６に記載の充電システム。
【請求項２８】
上記セルは、更に、アンペア時のアノード容量とアンペア時のカソード容量の比が重量で０．９：１ないし１．５：１の範囲内である請求項２６に記載の充電システム。
【請求項２９】
上記チャージャーは、更に、可変電流の充電をセルへ供給するように構成される請求項２６に記載の充電システム。
【請求項３０】
上記チャージャーは、セル内の電圧が充電中に増加するときに減少する電流をセルへ供給する請求項２６に記載の充電システム。
【請求項３１】
上記電気的接続は、更に、上記端子エンドキャップと電気的に連通する第１コンタクトと、上記カソードと電気的に連通しそして上記第１コンタクトと除去可能に電気的連通する第２コンタクトとを備え、そして上記スイッチは、内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えるときに上記第１コンタクトと第２コンタクトとの間の電気的連通を遮断する請求項２６に記載の充電システム。
【請求項３２】
上記スイッチは、更に、上記第１コンタクトに接続されて上記第１コンタクトを上記第２コンタクトから離すようにバイアスするよう構成された柔軟な部材を備えた請求項３１に記載の充電システム。
【請求項３３】
上記スイッチは、可逆である請求項２６に記載の充電システム。
【請求項３４】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
（ａ）電気化学セルを備え、このセルは、
ｉ．開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、上記内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲しており、
ｉｉ．更に、上記端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして
ｉｉｉ．更に、上記リンケージを切断する高い内部圧力に応答するスイッチを含み、そして
（ｂ）上記電気化学セルを受け入れて可変電流充電をそこに供給するよう構成されたセルチャージャーを備え、充電中に内部圧力が発生されて、その内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システム。
【請求項３５】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
（ａ）電気化学セルを備え、このセルは、
ｉ．開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンを含み、上記内部空洞にはアノード及びカソードが配置され、そして端子エンドキャップが上記開放端を包囲しており、
ｉｉ．更に、上記端子エンドキャップと第１電極との間に電気的接続を確立するリンケージを含み、そして
ｉｉｉ．更に、上記リンケージを切断する高い内部圧力に応答するスイッチを含み、そして
（ｂ）上記電気化学セルを受け入れて電圧充電をそこに供給するように構成されたセルチャージャーを備え、上記電圧は、最大スレッシュホールドと最小スレッシュホールドとの間で変化し、充電中に内部圧力が発生されて、その内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに充電を終了するように上記スイッチを作動させる充電システム。
【請求項３６】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、開放端を包囲する端子エンドキャップと、そのエンドキャップをカソードに除去可能に接続する電気的リンケージと、このリンケージを制御するスイッチとを有する形式の再充電可能なセルを充電する方法において、
（ａ）定電圧充電を上記セルへ供給し、この定電圧充電に応答して内部空洞内に内部圧力が蓄積し、そして
（ｂ）内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときにリンケージを終了するように上記スイッチを作動する、
という段階を備えた方法。
【請求項３７】
（ｃ）上記内部圧力が所定のスレッシュホールドより下がったときに上記リンケージを復帰するように上記スイッチを作動し、
（ｄ）上記セルの開路電圧を測定し、そして
（ｅ）上記セルの開路電圧が約１．４２ボルトになるまで上記段階（ｂ）及び（ｃ）を繰り返す、
という段階を更に備えた請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
充電中に上記再充電可能なセルに直列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
充電中に上記再充電可能なセルに並列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項３６に記載の方法。
【請求項４０】
上記アノード及びカソードは、内部空洞に配置され、端子エンドキャップが、カソードと除去可能に電気的連通して開放端を包囲し、そしてスイッチが端子エンドキャップとカソードとの間の電気的連通を制御する請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
内部セル電圧が蓄積するときに減少電流をセルに供給する段階を更に備えた請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
内部圧力が所定のスレッシュホールドよりも下がったときに上記リンケージを再確立するように上記スイッチを逆転する段階を更に備えた請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、上記開放端を包囲する端子エンドキャップと、そのエンドキャップとカソードとの間に除去可能な電気的接続を確立する電気的リンケージと、このリンケージを制御するスイッチとを有する形式の再充電可能なセルを充電する方法において、
（ａ）可変電流充電を上記セルへ供給し、この充電に応答して内部空洞内に内部圧力が蓄積し、そして
（ｂ）内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに上記リンケージを終了するように上記スイッチを作動する、
という段階を備えた方法。
【請求項４４】
充電中に上記再充電可能なセルに直列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
充電中に上記再充電可能なセルに並列に複数の付加的な再充電可能なセルを接続する段階を更に備えた請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
上記アノード及びカソードは、内部空洞に配置され、端子エンドキャップが、カソードと除去可能に電気的連通して開放端を包囲し、そしてスイッチが端子エンドキャップとカソードとの間の電気的連通を制御する請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
内部圧力が所定のスレッシュホールドよりも下がったときに上記リンケージを再確立するように上記スイッチを逆転する段階を更に備えた請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、上記開放端を包囲する端子エンドキャップと、そのエンドキャップをカソードに除去可能に接続する電気的リンケージと、このリンケージを制御するスイッチとを有する形式の再充電可能なセルを充電する方法において、
（ａ）所定の最小値と所定の最大値との間で変化する電圧充電を上記セルへ供給し、この充電に応答して内部空洞内に内部圧力が蓄積し、そして
（ｂ）内部圧力が所定のスレッシュホールドを越えたときに上記リンケージを終了するように上記スイッチを作動し、そして内部圧力が所定のスレッシュホールドより下がったときにそのリンケージを再確立する、
という段階を備えた方法。
【請求項４９】
再充電可能な電気化学セルの充電システムにおいて、
外面が所定スレッシュホールドを越える率で膨張することを指示する信号を送信するように動作できるゲージをその外面に有する再充電可能なセルと、
（１）上記再充電可能なセルに充電を供給し、その充電が供給されるときにバッテリの外面が膨張し、（２）上記ゲージから信号を受信し、そして（３）外面膨張の所定の変化率に基づいて充電を終了させるように構成されたバッテリチャージャーと、
を備えたシステム。
【請求項５０】
上記ゲージは、歪計であって、その２つの遠方端が２つの各導電性コンタクトバンドに接続され、そして上記チャージャーは、更に、上記コンタクトバンドにまたがる電気抵抗を測定するようにそれらコンタクトバンドに接続された導電性リードを含む請求項４９に記載の組立体。
【請求項５１】
上記ゲージからの信号は、外面膨張に対して予想し得るように変化する抵抗値であり、そして上記チャージャーは、更に、上記歪計にまたがる抵抗値を測定するように動作するプロセッサを含む請求項５０に記載の組立体。
【請求項５２】
上記充電は定電圧充電である請求項４９に記載の組立体。
【請求項５３】
上記セルは、更に、セルの内部温度を感知するための温度センサを備え、そして上記バッテリチャージャーは、更に、温度及び外面膨張変化の所定状態に基づいて充電を終了させる請求項４９に記載の組立体。
【請求項５４】
上記歪計は、セルの周りに巻き付けるように構成されたラミネートに埋め込まれ、このラミネートは、接着剤と、絶縁体と、歪計と、その歪計に電気的に連通して隣接配置された一対のコンタクトパッドとを含む請求項４９に記載の組立体。
【請求項５５】
開放端をもつ内部空洞を画成する外部カンと、その内部空洞に配置されたアノード及びカソードと、上記開放端を包囲する端子エンドキャップと、セルの外面に配置された歪計であってセルの膨張に応答してその抵抗値が変化するような歪計とを有する形式の再充電可能な電気化学セルの充電終了点を決定する方法において、
上記セルに充電を供給し、
上記歪計の抵抗値を測定し、そして
充電中に上記歪計の抵抗値変化に基づいて充電終了点を決定する、
という段階を備えた方法。
【請求項５６】
上記充電は、定電圧充電である請求項５５に記載の方法。
【国際調査報告】
2004517440.tif 000093
2004517440.tif 000094
2004517440.tif 000095