(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のガスケットによりシールされた２つの部分からなる導電性ハウジングを有し、一方のハウジング部分が一方の電極と関係付けられたカップであり、他方のハウジング部分が他方の電極と関連付けられた缶である小型ガルヴァーニ電池であって、前記ガスケットが、少なくとも一方のハウジング部分の内表面に渡って延びて、該ハウジング部分とこれに関連付けられた電極との間の絶縁層を形成し、集電体が、前記ハウジング部分からこれに関連付けられた電極へ前記絶縁層の開口部を通って延び、前記缶が、前記ガスケットに固定されて電池をシールする、前記ガルヴァーニ電池。
【請求項２】
前記ガスケットが、少なくとも前記カップの内表面に渡って延び、前記集電体が該カップと電気的に接触している、請求項１に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項３】
前記ガスケットが、さらに集電体の一部に渡って延びている、請求項２に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項４】
前記カップ及び前記集電体が単一の部材である、請求項２に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項５】
前記カップ及び前記集電体が２つの部材である、請求項２に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項６】
前記集電体が、ワイヤ状、爪状、または円筒状の部材である、請求項５に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項７】
前記ガスケットが単一の材料で作製されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項８】
前記ガスケットが、少なくとも２つの分離されたセグメントで作製されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項９】
前記ガスケットが、合成ゴム、フッ化ビニリデン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、シリコーン、ポリプロピレン、及び四フッ化エチレンポリマーから選ばれる材料で作製されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項１０】
前記電極内に配置された集電体の表面積が、前記ガスケットの内表面積の２５％未満である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項１１】
前記電池が空気減極電池である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項１２】
請求項１に記載のガルヴァーニ電池であって、
ａ） ある極性を有する第１の電極；
ｂ） 反対の極性を有する第２の電極；
ｃ） 第１の電極と第２の電極との間のセパレータ；
ｄ） 電解質；
ｅ） 第１の電極、第２の電極、セパレータ、及び電解質を収容する、２つの部分からなる導電性ハウジングであって、該ハウジングの第１の部分は、開口部を規定する端部を伴う壁を有する導電性の缶であって、一方の電極と電気的に接続されており、該ハウジングの第２の部分は、周縁フランジを有する導電性のカップであって、他方の電極と電気的に接続されている、前記ハウジング；
ｆ） ベースセグメント、該ベースセグメント中の開口部を規定する内壁、及び周縁壁を備えたガスケットであって、該ガスケットの周縁壁が缶の壁に近接して配置されており、缶の端部がガスケットに対してシールされており、これによって缶をガスケットに固定して、電池のためのシールを付与している、前記ガスケット；及び、 ｇ） 該ガスケットのベースセグメント中の開口部を通って延び、一方の電極と一方の末端で電気的に接触し、前記カップと他方の末端で電気的に接触している、集電体部材、を備えた、前記ガルヴァーニ電池。
【請求項１３】
前記ガスケットの周縁壁がその内部に環状の溝を有し、前記カップのフランジが該溝に固定されている、請求項１２に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項１４】
前記カップのフランジが、カップの壁の上に前記溝に固定された湾曲したセグメントを形成し、該溝の深さが少なくとも該湾曲したセグメントの長さである、請求項１３に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項１５】
前記周縁壁、内壁、及びベースセグメントが、ガスケットのための内表面積を規定し、前記集電体が、ガスケットの内表面積の２５％未満の第２の電極内に配置された表面積を有する、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のガルヴァーニ電池。
【請求項１６】
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載されているガスケットであって、小型電池用の前記ガスケット。
【請求項１７】
小型電池の構成要素を、一方の部分がカップであり他方の部分が缶である２つの部分からなるハウジング内に組立てる方法であって、次の工程：
（ａ） 開口部を規定している端部で終わっている周縁壁を有する導電性の缶を用意する工程；
（ｂ） ベースセグメント、内部に溝を有する周縁壁、及び開口部を規定している内壁を有する、ガスケットを用意する工程；
（ｃ） 周縁フランジを伴う導電性のカップを用意する工程；
（ｄ） 集電体を、ガスケットの開口部を通してその内部に配置し、カップのフランジを溝の内部に配置し、カップをガスケットに固定して、フランジがガスケットの溝の内部に固定されるようにする工程；
（ｅ） 少なくとも２個の電極及び電解質を含む電池の構成要素を、缶及びカップの内部に配置して、缶の壁をガスケットの周縁壁と平行に整合させる工程；及び、
（ｆ） 缶の壁を、ガスケットの壁に対して固定して、シールされた電池を製造する工程、を含む、前記組立方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、２つの部分からなるハウジング及びシール用ガスケットを採用した小型のガルヴァーニ電池に関する。特に、本発明は、集電体表面上での水素などのガスの形成を防止あるいは最少化するように設計された電池に関する。本発明はまた、そのような小型ガルヴァーニ電池の製造方法、並びにそのような電池において使用するためのガスケットに関する。
【０００２】
（背景技術）
電子デバイスの小型化は、小型ではあるが高出力の電気化学的電池に対する需要を生み出してきた。アルカリ電解質を利用する電池は、高い容積あたりのエネルギー密度を提供することが知られており、したがって、カメラ、聴力補助、腕時計及び計算機などの小型電子デバイスにおける用途に好適に使用されている。
しかしながら、水性の水酸化カリウム及び水酸化ナトリウムの溶液などのアルカリ電解質は、湿潤した金属表面に対する親和性を有し、また電気化学的電池のシールされた金属界面を通して浸出することが知られている。このような漏出は、電解質溶液を電池から枯渇させる可能性があり、また電池の表面上に、電池の外観及び市場性を損なうような、腐食性の堆積物をもたらす可能性がある。このような腐食性の塩はまた、電池が収容されているデバイスに損害を与え得る。この問題に直面する一般的な電池システムには、酸化銀−亜鉛電池、ニッケル−カドミウム電池、空気減極電池及びアルカリ二酸化マンガン電池が含まれる。
従来の技術では、絶縁性部材またはガスケットを電池のカップと缶との間に導入して、電池のためのシールを付与することが、通常行なわれてきた。一般に、ガスケットは、電気的に絶縁性であって、電池に内蔵されている電解質及び電池環境に対して不活性な物質で作られている必要がある。また、ガスケットは、シール圧力の下で、フレキシブルであって冷流に対する抵抗性を有し、また長い保存期間の間適切なシールを確実なものとするように、これらの特性を維持する必要がある。ナイロン、ポリプロピレン、エチレン−四フッ化エチレンコポリマー、及び高密度ポリエチレンなどの材料が、大部分の用途についてのガスケット材料として好適であることが見出されている。
一般に、絶縁用ガスケットは環状であり、断面において“Ｕ”字形状の部分を含む“Ｊ”字形状の外形であって、この部分に延長されたカップの壁を挿入することができ、カップの端部を放射状に圧迫すると、ガスケットの底部分がカップの壁の底部分とともにシールを形成する。ガスケットは通常、電池の全高さに延びている。良好なシールをさらに確実なものとするため、ガスケットの内部の“Ｕ”字形状の部分を含め、シーラントが通常ガスケットに適用され、カップをガスケットへ挿入すると、延長されたカップの壁の端部がシーラント内に設置され、放射状の圧迫力を印加すると、カップと缶との間に良好なシールが形成される。
【０００３】
従来の小型亜鉛アルカリ電池では、亜鉛電極部品は、通常端子に直接接触している。端子もまた通常は電池のハウジング部分であるから、電池内の電極材料のためのハウジングの接触表面は、一般に、大きな表面積を有する。さらに、電池は、放電の間に電極室内で生成される反応生成物を収容するのに十分な空間をもって製造される。なぜなら、反応生成物は反応体に比べて大きな体積を有し、全ての電池の向きの下で、電極材料と端子との間の電気的接触を確実なものとするのに、ハウジングが大きな導電性表面を有するのが有用であると考えられるからである。しかしながら、亜鉛などの特定の電極材料は、電極材料とハウジングとの接触面において、水素などの反応性ガスを形成する可能性があり、該ガスは電池の適切な動作にとって有害であることが見出された。
したがって、そのような電池で起こるガス発生の量を低減する一方、電池の全ての向きにおいて、電極材料とその端子との間の電気的接触を確実にし得る、小型電池を提供することができるのが望ましい。驚くべきことに、これらの目的に合致する電池の提供が可能であることが見出された。
【０００４】
（発明の開示）
したがって、第１の観点において、本発明は、絶縁性のガスケットによりシールされた２つの部分からなる導電性ハウジングを有し、一方のハウジング部分が一方の電極と関係付けられたカップであり、他方のハウジング部分が他方の電極と関連付けられた缶であるガルヴァーニ電池であって、前記ガスケットが、少なくとも一方のハウジング部分の内表面に渡って延びて、該ハウジング部分とこれに関連付けられた電極との間の絶縁層を形成し、集電体が、前記ハウジング部分からこれに関連付けられた電極へ前記絶縁層の開口部を通って延びている、前記ガルヴァーニ電池を提供する。
第２の観点において、本発明は、第１の観点による電池に適合するガスケットを提供する。
第３の観点において、本発明は、電池の構成要素を、一方の部分がカップであり他方の部分が缶である２つの部分からなるハウジング内に組立てる方法であって、次の工程：
（ａ）  開口部を規定している端部で終わっている周縁壁を有する導電性の缶を用意する工程；
（ｂ）  ベースセグメント、内部に溝を有する周縁壁、及び開口部を規定している内壁を有する、ガスケットを用意する工程；
（ｃ）  周縁フランジを伴う導電性のカップを用意する工程；
（ｄ）  集電体を、ガスケットの開口部を通してその内部に配置し、カップのフランジを溝の内部に配置し、カップをガスケットに固定して、フランジがガスケットの溝の内部に固定されるようにする工程；
（ｅ）  少なくとも２個の電極及び電解質を含む電池の構成要素を、缶及びカップの内部に配置して、缶の壁をガスケットの周縁壁と平行に整合させる工程；及び、
（ｆ）  缶の壁を、ガスケットの壁に対して固定して、シールされた電池を製造する工程、
を含む、前記組立方法を提供する。
【０００５】
望ましくは、集電体部材が有する電極材料と電気的に接触する表面積は、比較的小さく、集電体部材上での水素などのガスの形成が防止あるいは最少化されている。また、ガスケットの絶縁性の層により、ハウジング部分の表面積の大部分から電極が電気的に絶縁されているため、ハウジング表面上でのガス発生が防止される。さらに、集電体がハウジング部分から電極材料へはみ出しているため、電池の全ての向きにおいて、端子と電極材料との間の電気的伝導が確実なものとされている。さらに望ましいことに、本発明によるガスケットは、既存の電池部品との関係で容易に使用することができる一方、本発明による集電体の準備は、単に従来の手法を用いることによって行なうことができる。本発明の第１の観点の一形態において、本発明は、ガルヴァーニ電池であって、
（ａ）反対の極性を有する２つの電極、これらの電極の間のセパレータ、及び電解質であって、全て２つの部分からなる導電性ハウジングに収容されており、その第１の部分は、第１の電極と電気的に接続された缶であり、第２の部分は、第２の電極と電気的に接続されたカップであるもの；
（ｂ）ベースセグメント、内壁、及び第２の電極と接触する内表面積を規定する周縁壁を有するガスケットであって、該ガスケットの周縁壁が缶及びカップの壁に近接して配置されており、缶の端部がガスケットに対してシールされており、缶をガスケットに固定して電池をシールしている、前記ガスケット；及び、
（ｃ）該ガスケットのベースセグメント中の開口部を通って延び、第２の電極と一方の末端で電気的に接触し、前記カップと他方の末端で電気的に接触している集電体部材であって、これにより第２の電極内に配置された該集電体の部分の表面積が、ガスケットの内表面積の２５％未満となっている、前記集電体部材、を備えた、前記ガルヴァーニ電池を提供する。
本発明の第１の観点の他の形態において、本発明は、ガルヴァーニ電池であって、
（ａ）反対の極性を有する２つの電極、これらの電極の間のセパレータ、及び電解質であって、全て２つの部分からなる導電性ハウジングに収容されており、その第１の部分は、第１の電極と電気的に接続された缶であり、第２の部分は、第２の電極と電気的に接続されたフランジを有するカップであるもの；
（ｂ）ベースセグメント、内壁、及び周縁壁を有するガスケットであって、前記カップのフランジが、該ガスケットの周縁壁内の溝に固定されており、該周縁壁が缶の壁に近接しており、缶の端部がガスケットに対してシールされており、かくして缶をガスケットに固定して電池をシールしている、前記ガスケット；及び、
（ｃ）該ガスケットのベースセグメント中の開口部を通って延び、第２の電極と一方の末端で電気的に接触し、前記カップと他方の末端で電気的に接触している集電体部材、を備えた、前記ガルヴァーニ電池を提供する。
【０００６】
第３の観点の好ましい形態において、前記方法の工程（ｂ）におけるガスケットは、缶に電気的に接続されている電極に接触するように延びている周縁壁を有しており、かくして集電体を介してカップに電気的に接続されている電極が、缶から絶縁されることを確実にしている。
ガスケットは、一般に、電解質及び電池に内蔵されている活性成分に対して不活性な材料で作製されている、絶縁部材である。したがって、これらの電池の材料は、ガスケットの表面上で反応してガス発生をもたらすものではない。集電体を、電極の一方及び電池の外部端子の一方に接触させる必要がある。集電体の反応性の表面積を最小化するため、電極の一方を収容し、該電極を他の電極に接続された他の端子から絶縁するためのカップとして、ガスケットを形成する。ガスケットは、かくして、好ましくはハウジングカップまたは缶の内表面の全体に渡って延びている、絶縁層を形成する。
一形態において、ガスケットはさらに、集電体の一部を覆うように延びている。集電体の覆われた部分は、好ましくは絶縁材料で形成されたスリーブで覆われ、該スリーブは、好ましくはガスケットの全体部分を形成する。スリーブは、かくして、ガスケットの内壁により構成され、ガスケットにおいて、集電体のための開口部を規定する。好ましくは、集電体は、ガスケットの中心であるガスケット中の開口部から、ハウジングカップまたは缶を越えて、開口部とセパレータの間の中間位置へというように、電極室の中心へ延びている。図２に示すように、集電体の表面積が比較的大きい場合、ガスケットは好ましくは、例えば集電体表面の少なくとも４０％、好ましくは少なくとも５０％、さらに好ましくは少なくとも６０％に渡って延びている。
集電体は、ワイヤ状、爪状、円筒状の部材、あるいは、任意の他の小体積の部材であって、亜鉛などの電極の構成要素に曝される面積を最小にし、それによって水素などの反応性ガスが形成しうる部位を最小にすることができるものであってよい。電極材料に曝される集電体の表面が、ガスケット材料が集電体を渡って延びる範囲を制御することにより可変であるのが望ましい。好ましくは、集電体の表面が十分に小さい場合には、ガスケットが集電体の一部に渡って延びている必要がない場合もある。
曝される表面積は、電極材料との良好な電気的接触を確実なものとするのに十分である必要がある。好ましくは、集電体の曝される領域は、亜鉛電極などの電極に面し、あるいは接するガスケットの内部領域を規定する表面積の２５％未満、より好ましくは１０％未満、さらに好ましくは７％未満であり、最も好ましくはガスケットの内部表面積の５％未満である。
【０００７】
本発明の一形態において、集電体は電池の外部端子に固定されている。他の形態において、集電体は電池の外部端子として作用する。後者の形態においては、電池のカップと集電体とが一体となって単一の部材を形成するか、あるいは、集電体が電池の外部端子並びに集電体として機能する単一の部材となっている。したがって、カップ及び集電体が一体として単一の部材を構成してもよく、あるいは、好ましくはカップと集電体が２つの部材を構成する。
ガスケットは、好ましくは、ベースセグメント、ベースセグメント中の開口部を規定している内壁、及び内部に配置されているフランジを有するカップのフランジを収容するための溝を有する周縁壁を備えている。
ガスケットは、好ましくは、開口部を伴う閉じた端部を有するチューブであって、該チューブは、カップの壁の内表面が缶の壁から電気的に絶縁されるのを確実にするのに十分な厚さを有する単一の固体材料で作製されている。
本発明の一形態において、ガスケットは缶の壁の内表面に近接して配置され、また、接着剤などのシール剤が、缶の壁の内表面とガスケットとの間、及び／またはカップのフランジとガスケットの溝との間に配置されている。
ガスケットは、任意の好適な電気絶縁性材料で作製されていてよい。そのような好適な材料には、ポリクロロプレン（ネオルレン及びヴァイトン）などの合成ゴム、ペンウォルト・ケミカルズ社の商標であるＫＹＮＡＲなどのフッ化ビニリデン樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、シリコーン、Ｅ．Ｉ．デュポン・ド・ヌムール社の商標であるテフロンなどの四フッ化エチレンポリマー、及びポリプロピレンが含まれる。
ガスケットは単一の構造体として形成されてもよく、あるいは、２つあるいはそれより多くのセグメントから成っていてもよい。
【０００８】
本発明を使用することのできる一般的な電池システムは、アルカリ二酸化マンガン電池、空気減極電池、ニッケル−カドミウム電池、及び酸化銀−亜鉛電池である。好ましくは、該電池は空気減極電池であり、さらに好ましくは亜鉛−空気電池である。適用する電池システムに適する好ましい電極、電解質、及びセパレータ材料は、当業界で公知のものであり、しかるべく選択することができる。好ましくは、該電池は水銀フリーの電池または水銀無添加の電池である。亜鉛−空気電池の場合、例えば、負電極混合物は、好ましくは亜鉛粒子、電解質、及びバインダなどの有機化合物の混合物である。
本発明の電池のためのカップは、任意の好適な材料で作製してよく、モネル、ニッケル、ニッケルめっきしたスチール、ニッケルめっきしたステンレススチール、またはニッケルクラッドのステンレススチールなどの導電性材料で作製するのが好ましい。ニッケル層は、好ましくは、スチールストリップの外表面上に使用して、導電性または電池を使用するデバイスへの電気的接触を向上させる。カップを作成することのできる他のラミネート材料には、ステンレススチール基材上の２層ラミネート、あるいは３層以上からなるラミネートが含まれる。便宜的には、ラミネートした金属ストリップから円形のディスクをパンチして、次いでカップに成形する。カップの内表面は、好ましくは銅の層であり、集電体に直接接触する。
電池のための缶は、電池の材料と接触した際に劣化するか、あるいは腐食することのない、任意の好適な材料で作製することができる。電池のための缶は、好ましくは、ステンレススチール、ニッケル、またはニッケルめっきしたスチールなどの導電性材料で作製される。空気減極電池の場合、通常、缶の底部に孔をパンチして、空気流入口として作用させる。
【０００９】
集電体は、銅、真鍮、またはモネルなどの、任意の好適な導電性材料で作製することができる。集電体は、ハウジングから電極材料へ延びていて、ハウジングと電極との間の電気的接続を確実にすることを条件として、任意の好適な形状であってよい。好ましくは、集電体は、ワイヤまたは爪などの、小体積の部材である。集電体は、任意の通常の手法を用いることにより、ハウジング、好ましくはカップに、電気的に固定されていてよい。あるいは、前記のように、集電体が既にハウジングとともに単一の部材を形成していてもよい。
好ましくは、集電体は、ハウジング部分の表面の上にガスケットにより付与された絶縁層中の中心開口部を通って、はみ出している。しかしながら、代わりに、開口部が中心を外れていてもよい。さらに、２つまたはそれより多くの集電体が提供され、ガスケットの絶縁層中の１つまたはそれより多くの開口部からはみ出していてもよい。
【００１０】
（発明を実施するための最良の形態）
図面に示された形態を参照することにより、また以下の記載から、本発明をさらに理解することができると考えられる。
図１は、缶２のベース１０の上に配置された空気分配膜４、疎水性層３、及び電極８を含む、空気減極電池のための電極組立体を示している。図示されているように，環状の缶２は、缶２の内表面に固定されている空気分配膜４を内蔵している。疎水性層３は、例えばポリ四フッ化エチレンであり、空気分配膜４を含む缶２の底部全体を覆っている。缶２は、電極８の表面に渡って均一に空気を分配するための規定されたギャップを付与することを目的とする，内部の型押しされたパターンの区分（任意）を有している。缶２は、周縁の直立した壁１２に近接しているベース１０を備え、空気流入口を提供する開口部１４がベース１０内に配置されている。
図２及び３は、周縁の直立した壁２０、ベースセグメント２４、及び開口部２８を規定する内部の直立した壁２６を伴う、ガスケット１８を示している。円筒形の集電体３０が、開口部２８内に固定されている。ガスケット１８の壁セグメント２０の中に、溝３２が配置されている。周縁フランジ３６を有するカップ３４は、溝３２内に固定され、カップ３４が電池の端子として機能するように、集電体３０と物理的に接触している。ガスケット１８は、ガスケット内に配置され、集電体３０を介してカップ３４と電気的に接触している負電極混合物３８とともに示されている。
図２Ａにおいて、集電体３０は、一方の端部がカップ３４Ａに固定されているワイヤまたは爪３０Ａである。
図２Ｂにおいて、カップ３４Ｂは、折りたたまれた単純な導電性材料のシーとであって、集電体として機能する中央ではみ出した導電性セグメント３０Ｂを形成しているものとして示されている。
【００１１】
図４に示されているように、缶２並びに挿入された電極組立体は、予め組立てられ負電極３８を内蔵しているガスケット１８の上に反転されて配置される。カップ３４のフランジ３６は、ガスケット１８の溝３２内に配置され、カップ３４は集電体３０の上に配置される。
図５に示されているように、缶２は反転されているが、缶２の端部またはリム４０は内方にクリンプされている。缶２のリム４０は、カップ３４と缶２との間に配置された電気的に絶縁性のガスケット１８に対して圧迫され、これにより缶２とカップ３４との間にシール及び電気的障壁が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  缶内の空気電極の組立体の断面図である。
【図２】  本発明にしたがって使用するための、カップ、ガスケット及び集電体の組立体の断面図である。
図２Ａは、本発明にしたがって使用するための、カップ及び集電体の組立体の断面図である。
図２Ｂは、本発明にしたがって使用するための、一体のカップ及び集電体の断面図である。
【図３】  負電極を含む、図２の組立体の断面図である。
【図４】  反転し、次いで図３の組立体の開口端の上に配置して、電池組立体を形成した、図１の缶及び電極の断面図である。
【図５】  缶の壁がクリンプされ、シールされた電池が提供されている、図４にの電池組立体の断面図である。
【図６】  反転した図５のシールされた電池の断面図である。
【符号の説明】
２  缶
８  電極
１８  ガスケット
２８  開口部
３０  集電体
３４  カップ
【図１】
0004354635.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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