(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非密集亜鉛薄片を含むアノードを含む電気化学電池であって、該亜鉛薄片が、厚さ、長さ、幅の寸法を有し、該厚さの寸法が、少なくとも長さ及び幅の寸法の1/10以下であることを特徴とする電気化学電池。
【請求項２】
該アノードが、6.5g/cc未満の亜鉛密度を有する、請求項１に記載の電気化学電池。
【請求項３】
該亜鉛薄片が、アノード中に均一に分散されている、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項４】
該亜鉛薄片が、濃縮したアノード容積中に均一に分散されている、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項５】
該アノードが、更に亜鉛粉末を含む、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項６】
該亜鉛薄片が、亜鉛薄片と亜鉛粉末とを全て混ぜた重量の５重量％から70重量％を構成する、請求項５に記載の電気化学電池。
【請求項７】
該亜鉛薄片が、亜鉛薄片と亜鉛粉末とを全て混ぜた重量の５重量％から30重量％を構成する、請求項５に記載の電気化学電池。
【請求項８】
該亜鉛薄片が、純亜鉛を含む、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項９】
該亜鉛薄片が、亜鉛合金を含む、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項１０】
該亜鉛薄片が、インジウムで被覆又は表面蒸着されている、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項１１】
該亜鉛合金が、インジウム、ビスマス、リチウム、カルシウム、アルミニウムからなる群から選ばれた１以上の金属を含む、請求項９に記載の電気化学電池。
【請求項１２】
該電気化学電池が、アルカリ電解質を含む、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項１３】
亜鉛薄片が、75cm2/gから150cm2/gの平均表面積を有する、請求項１又は２に記載の電気化学電池。
【請求項１４】
水銀を含まない亜鉛アノードを含む電気化学電池において、該亜鉛アノードが、27容積％未満の亜鉛濃度を有し、該亜鉛アノードが、亜鉛薄片を含み、該亜鉛薄片が、厚さ、長さ、幅の寸法を有し、該厚さの寸法が、少なくとも長さ及び幅の寸法の1/10以下であることを特徴とする、当該電気化学電池。
【請求項１５】
亜鉛アノードを含む電気化学電池において、該亜鉛アノードが、28容積％未満の亜鉛濃度を有し、該亜鉛アノードが、亜鉛薄片を含み、該亜鉛薄片が、厚さ、長さ、幅の寸法を有し、該厚さの寸法が、少なくとも長さ及び幅の寸法の1/10以下であることを特徴とする、当該電気化学電池。
【請求項１６】
該電池が、「ＡＡ」型アルカリ電池を含み、該電気化学電池が、21℃の部屋で初期電圧から0.90Vまで少なくとも10分間、2000mAの一定電流を示す、請求項１４又は１５に記載の電気化学電池。
【請求項１７】
水銀を含まない亜鉛アノードを含む電気化学電池において、該亜鉛アノード含有量が、0.36亜鉛g/アノード容積ccから1.56亜鉛g/アノード容積ccであり、該亜鉛アノードが、亜鉛薄片を含み、該亜鉛薄片が、厚さ、長さ、幅の寸法を有し、該厚さの寸法が、少なくとも長さ及び幅の寸法の1/10以下であることを特徴とする、当該電気化学電池。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、電気化学電池用の亜鉛アノード、特に、水性アルカリ電気化学電池、さらに詳細には、亜鉛薄片を含む亜鉛アノードに関する。
発明の背景
アルカリ電池は、亜鉛粒子それ自体の接触、及び亜鉛粒子と集電体との接触を増やして集電効率を高めるために、亜鉛アノードに水銀を加えていた。しかしながら、水銀が、環境問題のために亜鉛から除去されると、性能と質は低下した。アルカリ電池から水銀を除くと、漏液防止性、耐衝撃性、放電特性が損なわれた。
多くの異なるアプローチが、これらの問題を克服するために行われてきた。水素ガス発生と関連する漏出の問題を軽減するために、亜鉛合金の粉末を、インジウム、ビスマス、鉛、アルミニウム等の新たな金属成分を添加して製造した。衝撃及び振動感受性の問題は、ゲル化剤（例えば、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸）をアノードに添加して改善した。このゲル化剤は、亜鉛粒子の接点及び位置安定性を改善及び増加するように作用する。このようなゲル化剤を使用すると、ゲル負電極の粘度が増加して、亜鉛粒子の移動を抑制する。例えば、欧州特許EP第678927号は、3種の架橋ゲル化剤を組み合わせて、振動の抑制及び耐衝撃性の向上に使用することを教示する。この使用は、亜鉛の貧反応効率のため、及び電気容量比の減少のために、放電特性が悪くなる。特開平7-254405号は、アノードゲルの放電能力及び流動能力を改善するための接点を増やすため、球形の非アマルガム亜鉛粉末及び細長い電極を有するゲル負電極の使用について教示する。
電池の内部容積の大きさが限られているため、電池製造者は、電池内に充填できる活物質の量に制限を受けていた。分極を最小に抑えて最大の電気化学活性を提供するために、電池から要求量の全電流を生じさせると共に、活物質上の電流密度をできる限り低くして電池を作動することが望ましい。従って、アルカリ電池は、単位重量又は容積当たりの表面積をできるだけ大きく得るために、及びそのような電流密度を最小化するために、慣習的に粉末活物質でできた電極が使用される。先行技術において、カソードの電気化学電位と効率的に整合(match)するのに必要とされる水銀を含まないアノード中の亜鉛粉末の最小量は、少なくとも約28容積％だった。より多量の亜鉛を使用すると、不必要に亜鉛を浪費し、電池の固体反応生成物の容積を制限する各亜鉛粒子周辺のスペースを制限する。従って、亜鉛含有量が高いと、高速使用特性(high rate service performance)が減少する。より少ない量の亜鉛粉末を使用すると、粒子−粒子間及び、粒子−集電体間の接触が不足して電気化学的な出力の減少や、電圧安定性が低下する。
図1で示すような従来の亜鉛粉末は、塊だらけ又は歪んだ球状体から細長い塊茎形状まで分布する、不規則な形をした粒子として特徴づけられる。これらの粒子は、頻繁にごつごつを有し、不規則な表面特性を有する。これらの粒子の平均表面積は、亜鉛グラム当たり約37cm2である。これら典型的な亜鉛粉末は、溶融亜鉛の空気ジェット噴霧によって製造される。
粒子の寸法は、その長さ、幅、厚さによる3次元系で記述できる。粒子の縦横比は、長さと幅の比である。深さは、もう一つの重要な寸法である。深さは、粒子が通過する最小のふるいの穴の大きさを決定する。深さは、幅、厚さ、長さに対して必ずしも垂直ではない。典型的な電池級亜鉛粉末において、中心深さは、ふるいにかけて測定して、約100〜300ミクロンである。しかしながら、最大の範囲で20ミクロン〜1000ミクロンである。走査型電子顕微鏡で分析されるような典型的な粉末は、幅とほぼ同じ長さの深さを有し、縦横比は約2だった（即ち、粒子は、球状を伸張した形に近い）。従来の亜鉛粉末において、外寸の最長と最小の比は、典型的に約1:1から10:1の間である。
本発明の亜鉛薄片は、これらの寸法を有するが、平面方向にあることは必ずしも必要ない。この薄片は、角が曲がり、中央で歪み、又は他の形をしている。
Vuらの米国特許明細書第4743185号は、アマルガムと非アマルガムのアノード中の水素ガス発生を抑制する目的で圧縮亜鉛粉末を使用することを教示する。Vuらは、亜鉛薄片を含む亜鉛粉末が、少なくとも6.5g/ccの密度に密集されているときのみアノードに使用されることを教示する。
Newmanらの米国特許明細書第5283139号は、亜鉛容積％が、17.37〜25.21であるアノードについて教示する。しかしながら、この低亜鉛含量を、亜鉛粒子間の接触を増加するための水銀を使用して可能にした。
それにも関わらず、従来の亜鉛粉末の使用は、十分な導電率を得るために、水銀を含まないアノード中、少なくとも28容積％の亜鉛が必要だった。従って、良伝導性を維持し、高い電流放電効率を改善しながら、適当な電流輸送マトリックスをなおも保持して、水銀を含まないアノードにおいて十分少量の亜鉛を使用することを可能とし、かつ衝撃と振動感受性の問題を解決するような亜鉛アノードが望ましい。
発明の概要
本発明の目的は、亜鉛薄片を含むアノードを有する電気化学電池を提供することにある。
更に、本発明の目的は、亜鉛薄片が、アノード中に密集せずかつ均一に取り込まれた薄片を使用しているアノードを有する電気化学電池を提供することにある。
更に、本発明の目的は、亜鉛薄片を、アノード容積の隅々まで、又はゲル微細構造又は塊として製造した濃縮したアノード容積中に均一に分散したアノードを有する電気化学電池を提供することにある。
更に、本発明の目的は、亜鉛濃度が最小で、アノード中の亜鉛が27容積％未満で、亜鉛密度が0.36g/ccから1.56g/ccである水銀を含まない亜鉛アノードを含む電気化学電池を提供することにある。
更に、本発明の目的は、以下に続く本発明の詳細な説明及び添付した請求の範囲で明らかになる。
前記目的は、本発明の好ましい態様中で、非密集(non-compacted)亜鉛薄片を含むアノードを有する電気化学電池によって達成された。亜鉛薄片の目的は、亜鉛濃度が27容積％未満の、水銀を含まない亜鉛アノードを提供することにある。これとは別に、亜鉛アノードが亜鉛薄片を含む場合は、亜鉛アノードは、28容積％未満の亜鉛濃度を有する。換言すれば、この電気化学電池は、亜鉛アノード含有量が、亜鉛／アノード容積で約0.36g/cc〜約1.56g/ccの密度を有する水銀を含まない亜鉛アノードを含む。本発明の亜鉛薄片は、約75cm2/g〜約150cm2/gの平均表面積を有する。
このように、本発明の電気化学電池は、非密集亜鉛薄片を含み、この薄片は、6.5g/cc未満の亜鉛密度を含むアノードを有する電気化学電池、と言い換えることができる。本発明の電気化学電池において、亜鉛薄片は、アノード中に均一に取り込まれる。この亜鉛薄片は、アノードの隅々まで均一に分散され、又はゲル微細構造又は塊として濃縮したアノード容積中に均一に分散される。
本発明の亜鉛薄片は、もちろん、厚さ、長さ、幅の寸法を有する。各亜鉛薄片の厚さの寸法は、少なくとも長さ及び幅の寸法の1/10以下が好ましい。本発明の電気化学電池も、亜鉛粉末を含んでいる。しかしながら、亜鉛薄片は、亜鉛薄片と亜鉛粉末とを全て混ぜた重量の約5から約70重量％を占めることが好ましい。亜鉛薄片が、亜鉛薄片と亜鉛粉末とを全て混ぜた重量の約5から約30重量％を占めることがより好ましい。本発明の電気化学電池は、純亜鉛より構成される亜鉛薄片を含む。これとは別に、亜鉛薄片は、亜鉛合金を含んでいる。亜鉛薄片が、純亜鉛又は合金を含んでいれば、亜鉛薄片を、インジウムで被膜し又は表面蒸着する。亜鉛合金は、インジウム、ビスマス、リチウム、カルシウム、アルミニウムから成る群から選ばれた1以上の金属を含む。
本発明の電気化学電池は、望ましくはアルカリ電解質を含み、この電解質は、亜鉛充填アノードと二酸化マンガンを含むカソードの双方に接触している電気化学電池が隅々まで分散されている。もちろん、本発明は、電気化学電池のこの特殊なタイプに限るものではない。しかしながら、亜鉛薄片を有するこのアルカリタイプのＡＡサイズの電池は、21℃の部屋で初期電圧から0.90Vに下がるまで、2000mAの一定の電流を少なくとも10分間示した。
【図面の簡単な説明】
図1は、水性アルカリ電池に使用される、先行技術の従来の亜鉛粉末の電子顕微鏡写真であり、特徴的で不規則な粒子の形及び大きさを示す。
図2は、本発明で使用した亜鉛薄片の電子顕微鏡写真である。
図3は、亜鉛粉末を使用するアノードと亜鉛薄片を使用するアノードとをそれぞれ含む電池を比較した、0.9ボルトまで連続したＩＥＣパルステストの電圧曲線のプロット（ボルト−アンペア時、亜鉛ｇ当たり）である。
図4は、従来の亜鉛粉末のアノードを有する電池と、亜鉛の10％が薄片、残りが粉末のアノードを有する電池とを比較した3.9Ω連続放電試験の電圧曲線のプロットである。
図5は、全て亜鉛粉末のアノードと、20重量％が亜鉛薄片で、残りが亜鉛粉末のアノードを使用する電池の、0.910Vまでの2000mA試験の電圧曲線のプロット（ボルト−アンペア、亜鉛ｇ当たり）である。
図6は、アルカリ二酸化マンガン−亜鉛電池の断面図を示し、均一に分散した亜鉛粉末アノード、濃縮した亜鉛粉末アノード、均一に分散した亜鉛薄片アノードを図示する。
本発明の詳細な説明
まず、図2について説明すると、典型的な本発明の亜鉛薄片を示す。薄片は、比較的小さく、薄い粒子で、グラム当たりの高い表面積を有し、厚さ、長さ、幅の寸法を有している。厚さは、他のどの寸法よりも実質的に小さい。この薄片は、うろこのような、又は木っ端のような亜鉛の層のように形を変えることができ、円、四角、おけ形(trough)、三角、菱形、長方形等の種々の外面的形態を有している。亜鉛薄片は、種々の配置も有する。例えば、薄片は、平面、湾曲、渦巻き、又は他の形や配置になる。所望の配置は、適した又は他の最適な特徴に基づいて選択される。
一般的に、薄片の厚さは、次に小さい寸法の幅や長さよりも、少なくとも1/10、好ましくは1/20以下で、最も好ましくは、少なくとも1/80以下である。実際には、主としてそのような粒子の床が流動する能力を保持するために、厚さに対する次の最小寸法比は、約20:1から約80:1の範囲にあることが望ましい。本願出願人は、最も薄い粒子が、最良の電流密度を生じること、好ましい比は約80:1であることを発見した。有利な電流密度を提供する亜鉛薄片は、厚さ0.0025cm(0.001インチ)、平均長さ0.061cm(0.024インチ)、幅0.061cm(0.024インチ)〜0.10cm(0.040インチ)である。しかしながら、本発明は、これらの寸法の亜鉛薄片に限定されない。
薄片の平均表面積は、約30cm2/g〜約150cm2/gである。本発明で使用した薄片は、好ましくは、121cm/亜鉛gの平均表面積を有し、このように、薄片に対する表面積は、典型的な粉末と比べて平均してグラム当たり300％増加し、良接触メカニズムを提供する。この大きさに表面積が増加すると、同一の亜鉛の投入量に対して電流密度が3分の1に低下する。薄片の表面積は、走査型電子顕微鏡で測定できる。本発明の亜鉛薄片のタップ密度又は容積密度は、従来の亜鉛粉末の3.05g/ccと比較して0.82g/ccである。表1は、従来の亜鉛粉末（及び他の公知の亜鉛の形態）と本発明の亜鉛薄片とを比較した、タップ密度、平均厚さ、平均表面積を示す。
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本発明の薄片物質は、入手可能な出所から手に入れても、又は米国特許明細書第4154284号、第4242069号、第4215084号明細書に記述された工程を使用して製造してもよい。亜鉛薄片製造の1つの方法に、金属薄片を、金属回転工程を使用して製造する急速凝固法がある。溶融金属流は、薄い液体の流に注がれ、亜鉛を製造する冷却回転ブロックに接触するように向けられる。この方法は、Transmet Corporation of Columbus, Ohioにより商業化され、実施されている。他の急速凝固法は、浴から溶融金属を抽出する回転抽出円盤を含み、不活性雰囲気で溶融金属を進ませて亜鉛薄片を製造する。これらの方法が、本発明の亜鉛薄片製造に適切とはいえ、本発明は、これらの方法に限定されるものではない。
亜鉛薄片は、非合金亜鉛として定義される純亜鉛、又はビスマス−インジウム−カルシウム、ビスマス−アルミニウム、ビスマス−インジウム、ビスマス−インジウム−アルミニウム等の亜鉛合金を含む。亜鉛粉末は、純亜鉛や亜鉛合金とは独立に含まれる。これは、亜鉛粉末や亜鉛薄片が、同一の亜鉛組成から成る必要はないが、亜鉛薄片の組成は、粉末に対して公知あるいは未知の組成のいかなるパーセントであってもよい。好ましい具体例で使用した亜鉛薄片の組成は、500ppm pb合金；ビスマス−インジウム−カルシウム合金（ビスマス250ppm、インジウム250ppm、カルシウム150ppm）；又は、ビスマス−インジウム−アルミニウム合金（ビスマス250ppm、インジウム250ppm、アルミニウム80ppm）であり、たとえ他の合金でも、もちろん可能である。他の好ましい具体例として、インジウムを、10〜500ppm、好ましくは20〜200ppmの量の合金上に被覆することができる。本発明の亜鉛粉末の組成は、本発明で重大な意味はなく、電池で使用するとして知られたいかなる亜鉛又は亜鉛合金の組成も、本発明で使用した亜鉛薄片の形態で使用してよい。
本発明のアノードゲルは、水性アルカリ電解質の均一混合物、架橋ポリアクリル酸が主又は単独で構成するゲル化剤、及び亜鉛粉末と主成分としての薄い亜鉛薄片の組み合わせがある。水性アルカリ電解質は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等、もしくは、これらの混合物の水酸化アルカリ金属である。水酸化カリウムが好ましい。本発明で使用されるゲル化剤は、Carbopol▲Ｒ▼940、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸ナトリウム、又はアルカリ電解溶液中で加水分解性の他の薬剤のような架橋ポリアクリル酸である。亜鉛粉末及び／又は亜鉛薄片は、純亜鉛、又はインジウム、鉛、ビスマス、リチウム、カルシウム、アルミニウムからなる群から選ばれた1以上の物質の適当な量を含み、残部が亜鉛からなる合金である。純亜鉛又はいかなる組み合わせの合金の組成物も、粉末と薄片に使用される。薄片は、全亜鉛濃度の約5重量％から約70重量％存在し、残りは、従来の亜鉛粉末である。成分を加える順序及び混合の方法は、本発明では重要ではない。しかしながら、成分を混合した結果、水銀を含まないアノードの隅々まで薄片が密集せず均一に分布することが重要である。
本発明のゲル化剤も、電解質で満たしたゲル微細構造のゲル「塊」を含む。このような「塊」は、先行技術で公知であり、各亜鉛粒子を比較的近い関係にある隣接亜鉛粒子に移動して亜鉛を凝縮するように作用する。亜鉛粒子は、「塊」の周りのアノードスペースで均一に分散し、もちろん、この亜鉛粒子は、同一のスペースを「塊」で占めるのではないので、凝縮されたアノード容積中に均一に分散されている。しかしながら、「塊」の存在、又は、亜鉛の組成又は分布を含め、アノードゲルは、本発明で重要ではなく、いかなるアノードゲル組成をも使用してよい。
ガス発生抑制剤、有機、あるいは無機の錆止め剤、結合材、界面活性剤等の他の成分は、同時に又は別々に、乾燥亜鉛混合物に直接に、任意に添加され、これとは別に、混合する前に電解質又はゲル化電解質に添加される。ガス発生抑制剤、又は錆止め剤の例は、インジウム塩（水酸化インジウムのようなもの）、過フッ化アルキルアンモニウム塩、硫化アルカリ金属等が含まれる。界面活性剤の例は、ポリエチレン酸化物、ポリオキシエチレンアルキルエステル、過フッ化アルキル化合物等が含まれる。ゲル物質が混合物の方が、ゲル物質が亜鉛薄片のみの場合よりも組立の目的(assembly purpose)において良い流動特性を有しているので、亜鉛薄片と亜鉛粉末の混合物の使用は、好ましい組成を提供することがわかった。亜鉛含量がアノードゲル中、低くても9容積％を有する亜鉛薄片を使用したアノードゲルは、満足に機能することがわかった。現在、20％亜鉛薄片／80％亜鉛粉末の配合亜鉛比で行われている。この比は、流動能力及び充填能力の特性に非常に依存している。一般的に、この比は、粒子の形と配置に非常に準拠している。配合比は、カソードのＭｎＯ2の電気化学電位と整合する質量を有することが望ましい。形と配置に依存して、亜鉛の約5〜約70重量％が薄片として含まれ、残りの亜鉛％が粉末である混合物は、アノードキャビティ(cavity)にうまく充填でき、全亜鉛及び表面に近づける亜鉛を十分に供給し、及び衝撃と振動の非感受性を含む上述した有利な結果を支援する。好ましい態様として、亜鉛薄片は、全亜鉛重量の約20重量％を含む。70重量％以上のレベルでは、流動能力が低められる。5重量％より低い濃度では、表面積及び、粒子−粒子、粒子−集電体の接触が非常に低くなる。本発明で使用しているアノードゲル中の亜鉛含有量は、約0.36亜鉛g/アノードゲル容積cm2及び1.56亜鉛g/アノードゲル容積cm3であるべきである。アノードゲルは、(1)亜鉛を含む電解質の溶液を混合して調製し、その前、後、又は同時にゲル物質をその電解質に溶解し、亜鉛薄片は、亜鉛の約5〜70重量％を含み、残りの亜鉛は、従来の亜鉛粉末の形態であり、この粉末は、不規則な形をした粒子の混合物であり、20〜1000ミクロンの範囲で、平均約200ミクロンの粒子の大きさの分布を有し、xy、yz、zxベクトルにおいて、1〜7の範囲で平均2の縦横比を有し、(2)亜鉛の形態を均一に混合するために入念に混合して、ついで、(3)得られるアノードゲル物質を形作り又は流動しやすく形作り、非密集亜鉛薄片を隅々まで均一に分散したものを含む電気化学電池用のアノードを形成した。
本発明の好ましい態様は、亜鉛の25容積％を有する亜鉛アノードが、亜鉛薄片、亜鉛粉末、水酸化カリウム、水酸化インジウムの混合物を使用して調製される。亜鉛薄片は、配合した亜鉛粉末と亜鉛薄片の総量の20重量％が存在し、残りは、従来の亜鉛粉末(Big River Zinc 1230)である。薄片と粉末の双方は、500ppmの鉛を含む亜鉛合金であり、インジウムで表面被覆、あるいは表面蒸着している。亜鉛配合は、38.5％水酸化カリウム水のアノードゲル35重量％と、0.6重量％のCarbopol▲Ｒ▼940、結合剤としての0.05重量％のケイ酸ナトリウム、1.0重量％の酸化亜鉛の配合を含む、予備ゲル化した電解質と混合する。
本発明の他の好ましい態様において、9容積％の亜鉛を有する亜鉛アノードゲルは、亜鉛薄片だけを使用して調製される。薄片は、500ppmの鉛を含み、インジウムで表面を被覆あるいは蒸着した亜鉛合金である。亜鉛薄膜は、38.5％水酸化カリウム水の約63重量％と、1.1重量％のCarbopol▲Ｒ▼940、結合剤としての0.1重量％のケイ酸ナトリウム、1.9重量％の酸化亜鉛の配合を含む、予備ゲル化した電解質と混合される。
実施例1
アルカリ電池の2つの試験ロットを、亜鉛粉末で作成したアノードゲルと、従来の亜鉛粉末で作成した比較対照ゲルとを作成した。純亜鉛は、両方の試験ロットで使用した。試験アノードゲルは、ゲル化電解質溶液を有する平均寸法0.061×0.061×0.0025cm（0.024×0.024×0.001インチ）の、9容積％の亜鉛薄片でできている。ゲル化電解質溶液は、0.6重量％の架橋ポリアクリル酸（Carbopol▲Ｒ▼940）を有し、残部は38％水酸化カリウム水である。アノード容積は、隔離板から集電体の内側表面と、アノード底部からアノード上部の隔離板の内部表面との間の空間に囲まれた容積として測定した。アノード中に9容積％の亜鉛粉末を含む対照のＡＡ電池を、同様にして作成した。得られる電池は、短絡電流を試験した。対照のＡＡ電池が0.2Aの短絡電流を有するのに対し、薄片ＡＡ電池は、16Aの短絡電流を生じた。従って、亜鉛薄片の電池は、亜鉛のグラム数当たりの電流輸送効率が亜鉛粉末アノード電池よりも大きいことを示した。
実施例2
本実施例では、上記実施例1で記述したように、平均寸法0.061×0.061×0.0025cm（0.024×0.024×0.001インチ）の亜鉛薄片を、ゲル化電解質中で従来の亜鉛粉末と配合した。ゲル中の亜鉛の総量は、63重量％であり、これは、25.2容積％と同等である。この亜鉛の総量は、この亜鉛の10容積％が、亜鉛薄片から成り、残りは亜鉛粉末である。得られる電池は、3.9Ωで連続的に放電した。図4に示すように、亜鉛薄片の電池は、対照より高い短絡電流を有し、対照の不規則な放電と比べてなめらかな放電曲線を有していた。これは、薄片の電池につき、より良好な導電率があることを証明した。薄片の電池も、90分以上放電すると突然電圧が減少したが、これは亜鉛薄片の電池の全亜鉛表面積がより大きいためである。
実施例3
本実施例では、総量で9容積％の亜鉛で、全て薄片の形態を含む純亜鉛アノードを、ＡＡ電池に組み込んだ。対照ＡＡ電池は、28.3容積％の亜鉛を含み、全て粉末の形態である。薄片及び対照のＡＡ電池を、作動電圧性能のために、1.8Ωの負荷を、15秒間接続し45秒間切断して電池末端に交互にかけるような、1.8ΩＩＥＣパルス試験で試験した。電池の有用な寿命は、電池が電圧を0.9Vより高く維持する間の時期として定義され、薄片のＡＡ電池は、対照の電池が約0.965Vであるのに対し、約1.09Vの平均作動電圧を維持した。従って、3分の1未満の亜鉛容積でも、薄片アノード電池は、対照電池が有用な寿命である際に、対照電池よりも約13％大きい電圧を維持し、明らかに対照より性能が優れており、しかも著しく増加した効率を有している。
実施例4
図3は、9容積％の従来の純亜鉛粉末を有する電池と、9容積％の濃縮亜鉛粉末と、9容積％の純亜鉛薄片とを比較したグラフである。従来の亜鉛粉末(Big River Zinc 1230)だけの9容積％亜鉛を有する亜鉛アノードゲルを、インジウム被覆亜鉛粉末とあらかじめゲル化した電解質溶液とを均一に混合して調製し、ＡＡ型円筒形アルカリ電池に組み込んだ。
従来の亜鉛粉末(Big River Zinc 1230)だけの9容積％亜鉛を有する二番目の亜鉛アノードゲルを、亜鉛粉末とあらかじめゲル化した電解質溶液とを混合して調製し、ＡＡ型円筒形アルカリ電池に組み込み、電気的接触のために集電体付近で25容積％まで濃縮した。この2番目の電池を、図6Ｂに示す。
9容積％の亜鉛を有し、完全に亜鉛薄片である3番目のアノードゲルを、亜鉛薄片とあらかじめゲル化した電解質溶液とを均一に混合して調製した。この3番目の電池の構造を、図6Ｃに示す。これら3つの電池の構造は、3つの電池の構造を示した図6に図示されている。開路電圧及び短絡電流を、この3つの形式で測定した。この3つの形式全てにおいて、同じ開路電圧を有するが、アンペア数は大きく異なった。つまり、均一な粉末に対しては0.2A、濃縮した粉末に対しては8.5A、均一な亜鉛薄片に対しては、15.6Aだった。この試験は、これらの電池に対して、1.8Ω、21℃で、15秒接続して、45秒切断し、0.90Vで切ることを有する高速パルス試験である。
均一に分散した粉末を有する電池は、最初のパルスで切断し、これを点線で示す。亜鉛粉末を濃縮した電池は、切断までに147パルスを示し、これを破線で示す。均一に分散した亜鉛薄片を有する電池は、電圧切断までに242パルスを示し、これを実線で示す。この結果は、亜鉛薄片の方が、亜鉛粉末よりも、たとえ亜鉛粉末を薄片と比較した乏しい粒子−粒子の電気的マトリックスを埋め合わせるために濃縮したとしても、良好な性能を提供する。
実施例5
図5は、25容積％の純亜鉛を有し、ＡＡ型円筒形アルカリ電池について2000mAの一定電流を排出するときの、2つのアルカリ電池の性能の結果を比較したグラフである。一方の電池は対照であり、全ての亜鉛が純亜鉛粉末であり、他方の電池は、20重量％の亜鉛粉末を0.061×0.061×0.0025cm（0.024×0.024×0.001インチ）の亜鉛薄片に置き換えた。試験は、2000mAの一定電流で、21℃の部屋で、0.90Vにした。電圧曲線を見ると、全ての亜鉛が粉末の電池は、4.4分で0.90Vを示す一方で、20％亜鉛が四角い薄片である電池は、11.0分で0.90Vを示している。このように、亜鉛薄片を使用すると、高率放電に有意に改善される。
上述は、好ましい態様としてのみ考慮される。当該技術分野や、本発明を製造し、使用する者は本発明の修正を考えることができる。従って、図や、上記に示した態様は、例証の目的にすぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、均等の原則を含めた特許法の原則に従って説明した以下に続く請求の範囲で明確にされる。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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