JP2004512656A

JP2004512656A - battery

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Publication number: JP2004512656A
Application number: JP2002538515A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム、ティー．マクヒュー; ロバート、エイ．スカーリシ; ゲアリー、エム．サール; ロバート、テリオールト
Original assignee: ザ　ジレット　カンパニー
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2004-04-22
Also published as: EP1334534A1; CN1470087A; AU2002213329A1; AR031023A1; WO2002035641A1

Abstract

空気出入り口と空気プレナム（２５０）を有する金属空気電池の製造方法に関する。この方法は、フィックの法則（Ｆｉｃｋ’ｓＬａｗ）に基づいて誘導された空気プレナム（２５０）の厚さを決定する工程と、この決定された厚さを持つ空気プレナムを備える電池を形成する工程とを具備している。前記空気プレナムの正しい厚さは、電池のカソードへ良好な空気流を流すために必要である。A method of manufacturing a metal-air battery having an air inlet and an air plenum (250). The method includes determining a thickness of an induced air plenum (250) based on Fick's Law and forming a battery comprising the air plenum having the determined thickness. Is provided. The correct thickness of the air plenum is necessary for good air flow to the cell cathode.

Description

【０００１】
本発明は、金属空気電池に関する。
【０００２】
電池は、電気エネルギ源として通常使用されている。電池は、通常アノードと呼ばれる負の電極と、通常カソードと呼ばれる正の電極を含んでいる。アノードは酸化される活性材料を含む。カソードは還元される活性材料を含むか、消費する。アノード活性材料は、カソード活性材料を還元することができる。アノード材料とカソード材料の直接の反応を阻止するために、アノードとカソードはセパレータにより互いに電気的に分離されている。
【０００３】
電池が、デバイスの電気エネルギ源として使用されるとき、アノードとカソードは電気的に接続され、デバイスを介して電子を流し、それぞれ酸化反応と還元反応を行なわせ電力を発生させる。アノードとカソードと接触する電解質たとえば水酸化カリウムは、放電中電池全体の電荷バランスを維持するため電極間のセパレータを介して流れるイオンを含んでいる。
【０００４】
金属−空気電気化学電池において、酸素はカソードにおいて還元され、金属はアノードにおいて酸化される。酸素は、電池缶内の一以上の空気口を介して電池の外部の大気中の空気からカソードに供給される。電池の寿命を長引かすために、カソードは、使用時空気流に晒らし、そして不使用時、空気流から隔離することが望ましい。
【０００５】
本発明は、電池のカソードに良好な空気流を流すため空気プレナム（ｐｌｅｎｕｍ）を有する金属空気電池に関する。ある場合には、空気に晒す度合いが少ないときには、不十分な量の酸素がカソードに接触するので、電池の最高性能には未達である。しかしながら過剰な空気に晒らされると、電池の材料の事前劣化をきたすことになる。たとえば二酸化炭素は、水酸化カリウム電解質と反応し炭酸カリウムを形成する。このことは、電池の性能を劣化させ、電池の寿命を短くすることになる。
【０００６】
一つの観点においては、本発明は、空気出入り口と空気プレナムを有する金属空気電池の製造方法に特徴づけられる。この方法は、フィックの法則（Ｆｉｃｋ’ｓ　Ｌａｗ）に基づいて誘導された空気プレナムの厚さを決定する工程と、決定された厚さを有する空気プレナムを備える電池を形成する工程とを含んでいる。この方法は、電池の性能を高める寸法、たとえば厚さ、を有する金属空気電池を提供することができる。
【０００７】
実施の形態は、一つ以上の次の特徴を含んでいる。厚さを決定する工程は、一次元定常系におけるフイックの法則を適用することを含んでいる。厚さを決定する工程は、所望の厚さが得られるまで、次式を反復することを含み、
【数３】

ここで、Ｐは圧力，Ｒは普遍的なガス常数、Ｔは温度、Ｉｔｏｔａｌ　は、特定面積に流れる電流量、Ｌは空気プレナムの長さ，ｂは空気プレナムの厚さ，Ｄは拡散係数，ｗは開口と開口との間隔、ｎは還元酸素に含まれる電子の数、Ｆはファラディ定数、ｘは制御容積の厚さ，Ｐ_Ｉは大気圧，Ｐ_０は約０と０．２１気圧の間で選定された値であることを特徴とする。
【０００８】
この方法は、更にｘの関数として、Ｐをプロットすることを含み、またはｘ／Ｌの関数として、Ｐをプロットすることを含んでいる。
【０００９】
他の観点においては、本発明は、空気出入り口を有する缶と、該缶内のカソードとを含み、該缶とカソードは、フィックの法則に基づいて決定される厚さを有する空気プレナムを画定することに特徴づけられる。空気プレナムの厚さは、次式を反復することで決定される。前述したように、
【数４】

【００１０】
カソードは、二酸化マンガンを含み、アノードは亜鉛を含んでいる。缶は長方形の断面、たとえば正方形断面をしている。
【００１１】
電池カートリッジは、金属空気電池に入っていく空気の流れを管理するため、簡単で機能的なシステムを提供している。カートリッジは、異なるデバイスに適合する各種の形状に形成され得、且つカートリッジは廉価で製造できる。カートリッジの動作は簡単である。ある実施の形態においては、カートリッジの動作はユーザに明白である。
【００１２】
平形（ｐｒｉｓｍａｔｉｃ）電池は、一般的に長方形形状をしている。たとえば平形電池は、２個の平行の長方形状面を持つ比較的平坦であり、携帯電話の使用に適している。より概略的に言えば、平形電池は、平行な面に横たわる２個の多面体を有し、且つたとえば平行四辺形として他の面を有する多面体として形成される。たとえば多角形面が長方形であれば、電池は長方形の平形である。多角形面が円であれば、電池は円形平形の形状となる。平形電池は、たとえば携帯電話や電池カートリッジに効率的に便利に一緒に積み重ねることができる。
【００１３】
本発明の他の特徴、目的、利点は詳細な説明並び図面、及び請求の範囲から明瞭にされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１−３を参照すると、長方形の平形カートリッジ２０は、ケーシング３０，摺動体４０，およびケーシング３０内の内側に配設された３個の電池５０を備えている。ケーシング３０は、長方形の周囲に延びる壁３５を有する長方形形状をしている。壁３５の幅および長さに沿って伸びる壁３５の部分は、摺動体４０を受け入れる溝６０を形成している。以下記載するように、ケーシング３０は、更に摺動体４０により画定された突起１００を受け入れるため溝６０内に３組のノッチ（図示せず）を画定している。各組のノッチは、たとえば電話の異なるモードに対応する予め定められた位置に形成される。
【００１５】
摺動体４０は、溝６０に摺動的に入り込む長方形状をしているので、ケーシング３０と合致しカートリッジ２０を形成する。摺動体４０は、更にカートリッジ２０に空気を流すように複数個の摺動開口７０を画定している。図２と図４Ａ−Ｂを参照すると、摺動体４０はまた、摺動体４０の両側に形成された複数個のラッチ機構９０を画定する。各ラッチ機構９０は、摺動体４０に画定された突起１００と空所１０５を含んでいる。摺動体４０が溝６０に入り込んだとき、突起１００は摺動体４０から突出することができ、且つケーシング３０に画定されたノッチと係合し、デバイス（図４Ａ）の動作と異なるモードに対応する異なる予定の位置に摺動体４０を保持する。摺動体４０が、ノッチから突起１００を離脱するように摺動したとき、たとえば動作の一つのモードから他のモードに摺動体４０を動かすとき、突起１００は、摺動体４０に向け空所１０５内に偏位し、摺動体４０を溝６０（図４Ｂ）内に移動させる。
【００１６】
電池５０は、ケーシング３０内に合致する形状の平形金属空気電池である。摺動体４０上の摺動開口７０に類似して、電池５０はまた、電池５０に空気が入るように複数個の電池開口８０を画定している。一般的に摺動開口７０および電池開口８０は、摺動体４０と電池５０の上にそれぞれパターン化され、電池５０の最適且つ一様な特性を提供できる。
【００１７】
動作を説明すると、電池８０に入る空気流の量は、ラッチ９０が一組のノッチと係合するまで、摺動体４０を溝６０内に摺動することにより管理できる。組のノッチに依存して、ラッチ９０が係合してしまったとき、摺動開口７０および電池開口８０は、完全に配列がずれ（重なり合いはない）、部分的に配列されている（一部が重なり合う）、または完全に配列されている（すべてが重なり合う）ことになる。
【００１８】
図５Ａを参照すると、デバイスが“オフ”モードの時、摺動開口７０および電池開口８０は、全く重なり合いがない。ケーシング３０と摺動体４０は、電池開口８０を周囲から堅固に且つ充分にシールする。電池８０に入る空気流は、電池８０のサービス寿命を高めるために制限され、たとえば電池８０の自己放電を阻止し、且つ空気に余分に晒すことによる電池材料の劣化を最小限にする。
【００１９】
図５Ｂを参照すると、デバイスが“待機”モードの時、摺動開口７０および電池開口８０は、部分的に重なり合っている。電池８０に入り込む空気流は、待機モード中にデバイスが要求する電力を満たすために十分な量の空気が電池５０に入り込むように調整されている。図５Ｃを参照すると、デバイスが“オン”または“通話”モードの時、摺動開口７０および電池開口８０は、完全に重なり合っている。このモードにおいては、電池５０が全電流レベルで動作するように充分な空気が電池５０に入り込む。
【００２０】
ユーザがデバイスの使用において望むモードに対応して、デバイスのユーザが摺動体４０を手動により移動させることができる。たとえば摺動体４０は、電話の外部スイッチに接続できるので、ユーザは電話の電力の需要に応じて摺動体４０を手動で動かすことができる。また摺動体４０は、たとえば電話のカバープレートに移動自在に接続できる。カバープレートが閉じたとき、突起１００がオフモードに対応するノッチと係合するように、摺動体４０が移動する。カバープレートが開いたとき、突起１００がオンモードに対応するノッチと係合するように、摺動体４０が移動する。
【００２１】
他の実施の形態を示す図６を参照すると、カートリッジ２０は、摺動体４０を自動的に動かすために補助電源１１０を備えており、シームレスでトランスペアレントな（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）ユーザインタフェースを提供している。更に電池５０はデバイスの起動時初期電圧降下を生ずるので、補助電源１１０は、電池５０が使用待機状態の間、電圧遅延を低減するために使用される。補助電源１１０、たとえばリチウム／酸化マンガン電池は、溝６０内に摺動体４０が移動できるように、モータ１１２とリンク１１４を介してデバイスとインタフェース即ち仲介接続される。モータは、たとえば電話の動作モードに応じてデバイスから送られた信号によって作動される。摺動体４０の特有の移動は、電池カートリッジ２０が使用される電話の型に依存する。たとえば摺動体４０は、ユーザが“オン”ボタンを押したとき、オフモードから待機モードに移動できる。摺動体４０は、電話の呼び出しがあったとき、または数値パッドを押すことによりダイヤルを開始したとき、待機モードから通話モードに移動できる。たとえば摺動体４０は、ユーザが“終了”ボタンを押したとき、通話モードから待機モードまたはオフモードに移動できる。このように摺動体４０は、電池５０から電話の電力需要に応じて自動的に移動するとともに、電池５０の寿命を延ばすことができる。
【００２２】
ケーシング３０と摺動体４０は、デバイスに使用するため適切ないかなる材料からでも形成される。たとえばケーシング３０と摺動体４０は、各種の周知の技術を用いる非導電性材料、たとえば射出成形できるたとえばアクリロニトリック−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）の様な強靱な熱可塑性材料から作ることができる。従って、ノッチとラッチ９０は、たとえば射出成形中、ケーシング３０と摺動体４０は、それぞれ一体に成形され得る。ケーシング３０と摺動体４０はまた、たとえば電気的に非導電性被覆を有する軽量の金属から形成される。カートリッジ２０の特定寸法は、カートリッジ２０の用途に応じ、たとえば電話の電池室の寸法に依存する。
【００２３】
図７を参照すると、電池５０は、長方形または正方形断面で、カートリッジ２０に電池５０が配設できるような寸法を有する平形の金属空気電池である。平形カソード管２１０は、たとえば活性材料のカソード被覆混合物で被覆された金属メッシュスクリーンである集電体から形成される。混合物は、バインダ、カーボン粒子および、たとえばマンガン化合物のような過酸化物を還元するための触媒を具備している。有用な触媒は、たとえば硝酸マンガンを加熱し、または過マンガン酸カリを還元することにより製造できる、たとえばＭｎ_２Ｏ_３，Ｍｎ_３Ｏ_４，およびＭｎＯ_２のように酸化マンガンを含んでいる。好ましいバインダは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子を含んでいる。カソード被覆混合物が、硬化した後、カソード組立体は、カソード構造体から残余の揮発物を除去するため加熱される。
【００２４】
電池開口８０に面する管２１０の外側は、ＰＴＦＥバリヤ膜２２０で覆われている。膜２２０は、電池５０内に一定の湿度レベルを維持するのに役立つ。膜２２０は、電池から電解液を漏洩しないように、且つ電池内にＣＯ_２が漏入しないようにしている。
【００２５】
セパレータ２６０は、カソード管２１０内に装入される。セパレータ２６０は多孔質、電気絶縁ポリマ、たとえばポリプロピレンで、電解液をカソードに接触させる。
【００２６】
空気プレナム即ち空気充満空間２５０の寸法は、電池パック１０の用途やカソードの特性の関数で決まる。たとえば電池パック１０からどの程度の電流が望まれるか、および電池５０のカソードがどの程度の低い酸素濃度で正しく動作し得るかが、空気充満空間２５０の設計に影響する。一般的に、パック１０の用途及び／又はカソードの特性が決定された後、空気充満空間２５０は、第一の電池開口から、第一の電池開口と第一の電池開口に隣接する電池開口から等距離であるカソード２１０の外面上の点に流れる空気が滑らかに減少するように設計されている。この設計により、一定の電池性能のために、一定の空気の流れを持つカソード２１０を提供できる。
【００２７】
特に空気充満空間２５０は、一次元定常状態系に適用できるフィックの第一の法則（Ｆｉｃｋ’　Ｌａｗ　Ｆｉｒｓｔ　Ｌａｗ）（Ｊｒ＝−Ｄ∂Ｃ／∂ｒ）における近似方法で設計される。図８に電池パック１０の一部分を示すが、ここでｂは空気充満空間２５０の高さ（たとえば約１ｃｍ未満、より好ましくは約０．１ｃｍ未満たとえば０．０８ｃｍ）、ｗは開口から開口の間隔（中心から中心での測定、たとえば約０．１ｃｍから約１ｃｍ，たとえば約０．２ｃｍ）、そしてＬは空気充満空間２５０の長さ（たとえば約１．５ｃｍ）である。空気充満空間２５０内の酸素の質量輸送は、一般的に次のように特徴づけられる。
（材料の集積量）＝［Ｏ_２の発生量＋Ｏ_２のインフラックス］−［Ｏ_２のアウトフラックス＋Ｏ_２の消費量］　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
金属空気電池においては、酸素は発生しない。
【００２８】
フィックの第一の法則を適用すると、式（１）は次のようになる。
【数５】

ここで
Ｊｘ　　　　＝ｘ方向の酸素の拡散フラックス；
∂Ｊｘ／∂ｘ＝制御容積を横切るフラックスの変化率；
△ｘ　　　　＝制御容積の厚さ；
Ｉｔｏｔａｌ　　＝特定面積に流れる電流量、たとえば３００ｍＡ／ｃｍ_２；
ｎ　　　　＝酸素還元に関与する電子の数（４）；
Ｆ　　　　＝ファラディ定数（９６，４８５クーロン／ｍｏｌ）；
∂Ｃ／∂ｔ　＝超過時間の制御容積における材料の集積速度。
【００２９】
代数学を用いて、式（２）は式（３）に、次いで式（４）に変形できる。
【数６】

ここで、∂Ｃ／∂ｔ＝時間内で２点間の集積の差。
【００３０】
式（５）に示すように、空気充満空間の酸素の集積は、定常状態の成分（Ｃｓ（ｘ））と過渡成分（Ｃ_１（ｘ，ｔ））の和である。
Ｃ（ｘ，ｔ）＝Ｃ_１（ｘ，ｔ）＋Ｃｓ（ｘ）　　　　　　　　　　（５）
【００３１】
しかしながらここで近似法を用いると、単に定常状態成分のみ考えればよい。従って式（４）は、次のようになる。
【数７】

ここでＤは拡散係数。
【００３２】
理想的なガス法則を用いて、式（６）は式（７）に変形される。
【数８】

ここでＰ＝圧力；Ｒ＝普遍的なガス常数；Ｔ＝温度である。
【００３３】
式（７）を２度積分すると式（８）を得る。
【数９】

定義として
Ｐ_ｘ＝０＝Ｐ_Ｉ　　　　　　　　　　　　（１０）
Ｐ_ｘ＝Ｌ＝Ｐ_０　　　　　　　　　　　（１１）
ここでＰ_Ｉ＝大気圧、たとえば０．２１気圧Ｏ_２；且つＰ_０＝最低圧力、たとえば約０．２１気圧未満、たとえば約０．１５気圧未満、約０．１気圧未満、且つ約０．０５気圧未満である。
【００３４】
Ｃ_１とＣ_２について解くと次式が得られる。
【数１０】

【００３５】
式（１０）−（１３）を式（８）に戻して代入すると次式が得られる。
【数１１】

【００３６】
式（１４）は、空気充満空間２５０を設計するために使用される。一般的に
与えられたプレナム即ち空気充満空間の設計においては、プレナムの高さ（ｂ）と圧力（Ｐ）を除いて、式（１４）のすべての変数は一定に保たれる。ある変数の値は一定に保たれ、たとえばＰ_０は経験的に選ばれる。他の変数たとえばプレナムの長さ（Ｌ）や所望の電流値（Ｉｔｏｔａｌ）は、電池パック１０の実際の用途たとえばパック１０が使用されるデバイスの寸法制限、またはカソードの性能によりにより規定され且つ制限される。
【００３７】
式（１４）は次いで異なるプレナム高さ（ｂ）を用いて、式が圧力（Ｐ）の分布を生みまたは、たとえば大気圧（たとえば標準温度と圧力（ＳＴＰ）においてＯ_２の約０．２１気圧）から最低の圧力へ多項式の関数のように傾斜を下るように滑らかに減少する形状を描くまで、繰り返される。経験的に決定される最低の圧力は、良好な電池特性を得るように選定される。好ましくは、最低圧（Ｐ_０）は、Ｏ_２の約０から約０．２１気圧、たとえば約０．１気圧である。
【００３８】
電池５０を組み立てるため、バリヤ部材２２０に巻き付けられ且つセパレータ２６０を含むカソード管２１０は、電池開口８０を有する平形缶２３０に配設される。カソードをシールするため、缶２３０は、導電性ホットメルト２４０、たとえばカーボン、グラファイト、またはニッケルを装填されたポリアミドを含んでいる。カソード集電体は、缶２３０の底部と電気的に接続すべきである。電気的接続はカソード集電体を缶の底部に直接物理的に接触することによりなされ、たとえば集電体を缶の底部に溶接することにより達成できる。または導電性タブを、集電体と缶の底部の両方に取り付けることもできる。カソード管２１０と缶２３０はその間に一体となって空気プレナム２５０を形成する。
【００３９】
カソード管２１０が装入された後、セパレータ２６０とカソード管２１０とによって形成される内部空洞は、次いでアノードゲル２７０で充填される。
【００４０】
アノードゲル２７０は、亜鉛と電解液の混合物を含んでいる。亜鉛と電解液の混合物は、電池からの電解液の漏洩を阻止し、アノード内に亜鉛の粒子を懸濁するのに役立つ。
【００４１】
亜鉛材料は、鉛、インジウム、アルミニウムまたはビスマスと合金化された亜鉛粉末である。たとえば亜鉛は、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、また約５０から９０ｐｐｍ（例えば７０ｐｐｍ）のアルミニウムで合金化される。亜鉛材料は、鉛、インジウムとアルミニウム、鉛とインジウム、または鉛とビスマスを含んでいることが好ましい。更に亜鉛は、他の金属添加物の無い鉛を含んでいる。亜鉛材料は、空気吹きつけ（ａｉｒｂｌｏｗｎ）や脱水亜鉛（ｓｐｕｎｚｉｎｃ）であっても良い。適切な亜鉛粒子は、例えば１９９８年９月１８日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／１５６，９１５号、１９９７年８月１日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０８／９０５，２５４号、及び１９９８年７月１５日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／１１５，８６７号に記載されており、全体が参考例として、本明細書中に組み入れられる。
【００４２】
亜鉛粒子は、球形や非球形であり得る。例えば、亜鉛粒子は、針状形（縦横比が少なくとも２）をしている。亜鉛材料は、主として６０メッシュと３２５メッシュの間の寸法を有する粒子を含んでいる。例えば、亜鉛材料は、次の粒子寸法分布をしている。
６０メッシュスクリーン上に０−３重量％；
１００メッシュスクリーン上に４０−６０重量％；
２００メッシュスクリーン上に３０−５０重量％；
３２５メッシュスクリーン上に０−３重量％；
パン（ｐａｎ）上に０−０．５重量％
【００４３】
適切な亜鉛材料は、ベルギーのオバーペルト（Ｏｖｅｒｐｅｌｔ）社から売り出されている商品名ユニオン・ミニエル（Ｕｎｉｏｎ　Ｍｉｎｉｅｒｅ）、米国のデュラセル社（Ｄｕｒａｃｅｌｌ）、米国のノランダ社（Ｎｏｒａｎｄａ）、ドイツのグリロ社（Ｇｒｉｌｌｏ）、又は日本の東邦亜鉛会社から市販されている亜鉛を含む。
【００４４】
ゲル化剤は、ポリアクリラート吸収剤である。ポリアクリラート吸収剤は、米国特許第４，５４１，８７１号（本明細書では参考例として挙げる）に記載されている方法で測定して、ゲル化剤のグラム当たり約３０グラム未満の塩分を含んだ吸収性外皮（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を備えている。アノードゲルは、アノード混合物の中に乾燥亜鉛として重量比で１％未満のゲル化剤を含んでいる。好ましくは、ゲル化剤含量は、重量比で約０．２から０．８％、より好ましくは約０．３から０．６重量％、且つ最も好ましくは約０．３３重量％である。ポリアクリラート吸収剤は、懸濁重合により生成されたポリアクリル酸ナトリウムである。適切なポリアクリル酸ナトリウムは、約１０５から１８０ミクロンの平均粒子寸法で、約７．５のｐＨである。適切なゲル化剤は、例えば米国特許第４，５４１，８７１号、米国特許第４，５９０，２２７号，米国特許第４，５０７，４３８号に記載されている。
【００４５】
ある実施の形態では、アノードゲルは非イオン界面活性剤を含んでいる。界面活性剤は、亜鉛面に、例えば非イオンアルキル燐酸塩または非イオンアリル燐酸塩（例えばローム・アンド・ハース（Ｒｏｈｍ　＆　Ｈａａｓ）社の商品名ＲＡ６００又はＲＭ５１０）が被覆された非イオン燐酸塩界面活性剤である。アノードゲルは、亜鉛材料の表面に被覆された界面活性剤の約２０から１００ｐｐｍのものを含んでいる。界面活性剤は、ガス発生の抑止剤としても働く。
【００４６】
電解液は、水酸化カリウムの水性溶液である。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る。又電解液は、約１から２％の酸化亜鉛を含んでいる。
【００４７】
アノードゲル２７０が缶２３０に配設された後、予め組み立てられた頂部組立体２８０が、缶２３０の頂部に配設される。頂部組立体２８０は、シール３００，集電体２９０，集電体２９０に溶接された端部蓋３０５を含んでいる。集電体２９０は、例えば真鍮のような適切な金属からなる。シール３００は、たとえばナイロンからなる。追加的にバイワックス社（ＢｉＷａｘＣｏｒｐ．）の非導電性ホットメルトがシール３００とカソード管２１０の間に配設され、電解液とアノード材料の漏洩を最小にする。缶２３０の上部外周（即ちリップ）は、缶２３０の頂部で頂部組立体２８０をシールするため、予め組み立てられた頂部組立体２８０が据え込み加工される（ｓｗａｇｅｄ）。
【００４８】
保管中、電池５０は、電池の空気出入り口８０を覆う取り外し自在のシートで覆われている。例えば酸素不透過性で、水素透過性シートであるシートは、電池の内外間の空気の流れを制限している。ユーザは使用に先立ち電池からシートを引きはがし、空気からの酸素を電池内に入り込ませる。また電池はシールされた金属バック゛に保管される。ユーザは使用前にそのバッグから電池を取り出す。
【００４９】
金属−空気電池及びその製造方法の他の実施の形態は、例えば１９９９年８月１３日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／３７４，２７７号、１９９９年８月１３日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／３７４，２７８号、１９９９年１０月１３日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／４１６，７９９号，１９９９年１０月２６日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／４２７，３７１号、２０００年１月３１日米国出願されたＵ．Ｓ．Ｓ．Ｎ．０９／４９４，５８６号に記載されており、全体が参考例として、本明細書中に組み入れられる。
【００５０】
本発明は他の実施の形態でも実施できる。例えばカートリッジ２０は、ラッチ９０やノッチを有さなくとも良い。カートリッジ２０は、長方形状に限定されず、図９に示すように、たとえば円形平形電池４００、その例としてボタン電池およびウェハー電池、のような他の形状でも実施できる。したがって電池５０は、カートリッジ２０に合致する他の形状にも形成できる。電池５０はまた、たとえば３個の別々の電池を横並びにした大きさを持つ一つのユニットとして形成できる。溝６０はケーシング３０と一体に形成されるというよりむしろ、ケーシング３０にヒートステーク（ｈｅａｔｓｔａｋｅｄ）または溶着される摺動保持フレームの一部として形成される。更に前述のデバイスは電話であるが、カートリッジ２０が他の電子デバイス、たとえば、携帯用無線電話機、ラジオ、コンピュータおよび小型電卓のようなデバイスにも使用できる。これらのデバイスは、動作について待機モードは要求されないので、カートリッジ２０は、電池開口８０と摺動開口７０が適切な配置となるように構成すべきである。電池開口８０と摺動開口７０について他の構成も可能である。たとえば電池開口８０と摺動開口７０は、スロットまたは摺動体４０や電池５０にそれぞれ延びる一つの開口であっても良い。
【００５１】
図１０には、電池カートリッジ２０の他の実施の形態が示されている。ケーシング３０と摺動体４０は、一般的に前述したとおりである。電池５０に一般的に類似する電池５００は、三角形の平形、たとえば三角形断面を有する細長い構造をしている。電池開口（図示せず）およびカソード５２０を有する缶５１０は、その間に空気プレナム５３０を画定する三角形の平形管として形成されている。アノード２７０、バリヤ膜（図示せず）、セパレータ（図示せず）は前述したように缶５１０内に装入されている。ある実施の形態では、ケーシング３０及び／又は摺動体４０は、電池５００を所定位置に納めるためのＶ字形溝５４０を備えている。溝５４０はシーラント（ｓｅａｌａｎｔ）を含んでいる。
【００５２】
電池５００は、一般的には電池５０について上述したようにして形成される。電池５００は缶５１０上に２回のみの折りたたみで形成されるので、一つのみのシームが生成される。角度をオフセットすることにより、電池５００は、カートリッジ２０内に効果的に詰め込まれ、したがって電池は比較的大きな表面積を有する。
【００５３】
本明細書で述べたすべての刊行物や特許は、各刊行物または特許参考として組み込まれることを特別に且つ個々に示しているならば、本明細書では同じ範囲で参考として組み込まれる。
【００５４】
他の実施の形態は、請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
電池カートリッジの一実施の形態の斜視図である。
【図２】
電池カートリッジの一実施の形態の上面図である。
【図３】
電池カートリッジの一実施の形態の断面図である。
【図４Ａ】
本発明の一実施の形態の引き延ばされた位置にあるラッチの平面図である。
【図４Ｂ】
本発明の一実施の形態の引き戻された位置にあるラッチの平面図である。
【図５Ａ】
完全に重なり合っていない摺動開口と電池開口の概略図である。
【図５Ｂ】
部分的に重なり合っている摺動開口と電池開口の概略図である。
【図５Ｃ】
完全に重なり合っている摺動開口と電池開口の概略図である。
【図６】
補助電源を持つ電池カートリッジの実施の形態の概略図である。
【図７】
電池の実施の形態の縦断面図である。
【図８】
電池カートリッジの実施の形態の概略図である。
【図９】
電池のカートリッジの実施の形態の斜視図である。
【図１０】
電池カートリッジの実施の形態の概略斜視図である。[0001]
The present invention relates to a metal-air battery.
[0002]
Batteries are commonly used as a source of electrical energy. Batteries include a negative electrode, commonly called the anode, and a positive electrode, usually called the cathode. The anode contains an active material to be oxidized. The cathode contains or consumes the active material to be reduced. The anode active material is capable of reducing the cathode active material. The anode and cathode are electrically separated from each other by a separator to prevent direct reaction between the anode and cathode materials.
[0003]
When the battery is used as a source of electrical energy for the device, the anode and cathode are electrically connected and allow electrons to flow through the device, causing oxidation and reduction reactions, respectively, to generate power. The electrolyte in contact with the anode and cathode, such as potassium hydroxide, contains ions flowing through the separator between the electrodes to maintain charge balance throughout the battery during discharge.
[0004]
In a metal-air electrochemical cell, oxygen is reduced at the cathode and metal is oxidized at the anode. Oxygen is supplied to the cathode from atmospheric air outside the battery via one or more air ports in the battery can. To prolong the life of the battery, it is desirable that the cathode be exposed to the air flow when in use and isolated from the air flow when not in use.
[0005]
The present invention relates to a metal-air battery having an air plenum to provide good airflow to the cathode of the battery. In some cases, when the degree of exposure to air is low, insufficient performance of the cell is not reached because insufficient amounts of oxygen contact the cathode. However, exposure to excess air results in pre-deterioration of battery materials. For example, carbon dioxide reacts with potassium hydroxide electrolyte to form potassium carbonate. This degrades battery performance and shortens battery life.
[0006]
In one aspect, the invention features a method of making a metal-air battery having an air port and an air plenum. The method includes determining an induced air plenum thickness based on Fick's Law, and forming a battery with the air plenum having the determined thickness. I have. The method can provide a metal-air battery having dimensions, eg, thickness, that enhance the performance of the battery.
[0007]
Embodiments include one or more of the following features. Determining the thickness involves applying Fick's law in a one-dimensional stationary system. Determining the thickness comprises repeating the following equation until the desired thickness is obtained;
[Equation 3]

Here, P is pressure, R is a universal gas constant, T is temperature, Ital is the amount of current flowing in a specific area, L is the length of the air plenum, b is the thickness of the air plenum, D is the diffusion coefficient, w is distance between the aperture and the opening, n represents the number of electrons contained in the reducing oxygen, F is Faraday constant, x is the thickness of the controlled volume, P _I is the atmospheric pressure, P ₀ is approximately 0 and 0.21 atm It is characterized in that it is a value selected between.
[0008]
The method further includes plotting P as a function of x, or plotting P as a function of x / L.
[0009]
In another aspect, the invention includes a can having an air port and a cathode in the can, the can and cathode defining an air plenum having a thickness determined according to Fick's law. It is characterized by: The thickness of the air plenum is determined by repeating the following equation: As previously mentioned,
(Equation 4)

[0010]
The cathode contains manganese dioxide and the anode contains zinc. The can has a rectangular cross section, for example a square cross section.
[0011]
Battery cartridges provide a simple and functional system for managing the flow of air entering a metal-air battery. The cartridge can be formed in various shapes to fit different devices, and the cartridge can be manufactured at low cost. The operation of the cartridge is simple. In some embodiments, the operation of the cartridge is transparent to the user.
[0012]
A prismatic battery generally has a rectangular shape. For example, a flat battery is relatively flat with two parallel rectangular surfaces and is suitable for use in mobile phones. More generally, a flat cell has two polyhedrons lying in parallel planes and is formed as a polyhedron with other planes, for example as parallelograms. For example, if the polygonal surface is rectangular, the battery is a rectangular flat. If the polygonal surface is a circle, the battery has a circular flat shape. Flat batteries can be efficiently and conveniently stacked together, for example, on mobile phones and battery cartridges.
[0013]
Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings, and from the claims.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Referring to FIGS. 1-3, the rectangular flat cartridge 20 includes a casing 30, a sliding body 40, and three batteries 50 disposed inside the casing 30. The casing 30 has a rectangular shape having a wall 35 extending around the rectangle. The portion of the wall 35 extending along the width and length of the wall 35 forms a groove 60 for receiving the slide 40. As described below, casing 30 further defines three sets of notches (not shown) in groove 60 to receive protrusions 100 defined by slide 40. Each set of notches is formed at a predetermined position, for example, corresponding to different modes of the telephone.
[0015]
Since the sliding body 40 has a rectangular shape that slides into the groove 60, it conforms to the casing 30 to form the cartridge 20. The sliding body 40 further defines a plurality of sliding openings 70 to allow air to flow through the cartridge 20. Referring to FIGS. 2 and 4A-B, the slide 40 also defines a plurality of latching mechanisms 90 formed on opposite sides of the slide 40. Each latch mechanism 90 includes a protrusion 100 defined on the slide 40 and a cavity 105. When the slide 40 enters the groove 60, the protrusion 100 can protrude from the slide 40 and engage a notch defined in the casing 30, corresponding to a mode different from the operation of the device (FIG. 4A). The sliding body 40 is held at different predetermined positions. When the slider 40 slides to disengage the projection 100 from the notch, for example, when moving the slider 40 from one mode of operation to another mode, the projection 100 moves in the cavity 105 toward the slider 40. To move the slide body 40 into the groove 60 (FIG. 4B).
[0016]
The battery 50 is a flat metal-air battery having a shape that fits inside the casing 30. Similar to the sliding opening 70 on the slide 40, the battery 50 also defines a plurality of battery openings 80 to allow air to enter the battery 50. Generally, the sliding opening 70 and the battery opening 80 are patterned on the sliding body 40 and the battery 50, respectively, to provide optimal and uniform characteristics of the battery 50.
[0017]
In operation, the amount of airflow entering battery 80 can be managed by sliding slide 40 into groove 60 until latch 90 engages a set of notches. Depending on the set of notches, when latch 90 is engaged, sliding opening 70 and battery opening 80 are completely misaligned (no overlap) and partially aligned (partly). Overlap) or are completely arranged (all overlap).
[0018]
Referring to FIG. 5A, when the device is in the “off” mode, the sliding aperture 70 and the battery aperture 80 have no overlap. The casing 30 and the sliding body 40 tightly and sufficiently seal the battery opening 80 from the surroundings. Airflow into the battery 80 is limited to enhance the service life of the battery 80, for example, to prevent self-discharge of the battery 80 and minimize degradation of battery material due to extra exposure to air.
[0019]
Referring to FIG. 5B, when the device is in the “standby” mode, the sliding aperture 70 and the battery aperture 80 partially overlap. The airflow entering battery 80 is adjusted so that a sufficient amount of air enters battery 50 to meet the power requirements of the device during standby mode. Referring to FIG. 5C, when the device is in the “on” or “talk” mode, the sliding opening 70 and the battery opening 80 are completely overlapping. In this mode, sufficient air enters battery 50 so that battery 50 operates at full current level.
[0020]
The user of the device can manually move the slide 40 in accordance with the mode the user desires in using the device. For example, the slide 40 can be connected to an external switch on the phone, so that a user can manually move the slide 40 in response to telephone power demands. The sliding body 40 can be movably connected to a cover plate of a telephone, for example. When the cover plate is closed, the slide 40 moves so that the projection 100 engages with the notch corresponding to the off mode. When the cover plate is opened, the sliding body 40 moves so that the projection 100 engages with the notch corresponding to the ON mode.
[0021]
Referring to FIG. 6, which illustrates an alternative embodiment, the cartridge 20 includes an auxiliary power supply 110 for automatically moving the slide 40, providing a seamless and transparent user interface. In addition, the auxiliary power supply 110 is used to reduce the voltage delay while the battery 50 is in a standby state, since the battery 50 causes an initial voltage drop at device startup. An auxiliary power supply 110, for example, a lithium / manganese oxide battery, is interfaced with the device via a motor 112 and a link 114 so that the slide 40 can move into the groove 60. The motor is activated by a signal sent from the device, for example, depending on the mode of operation of the phone. The particular movement of the slide 40 depends on the type of phone in which the battery cartridge 20 is used. For example, the slide 40 can move from the off mode to the standby mode when the user presses the "on" button. The slide body 40 can move from the standby mode to the call mode when a telephone call is made or when dialing is started by pressing a numeric pad. For example, the slide 40 can move from the talk mode to the standby mode or the off mode when the user presses the "end" button. As described above, the sliding body 40 can automatically move from the battery 50 in accordance with the power demand of the telephone and extend the life of the battery 50.
[0022]
Casing 30 and slide 40 are formed from any material suitable for use in the device. For example, casing 30 and slide 40 can be made from a non-conductive material using various well-known techniques, for example, a tough thermoplastic material such as acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) that can be injection molded. Therefore, for example, during injection molding of the notch and the latch 90, the casing 30 and the sliding body 40 can be integrally formed. The casing 30 and the slide 40 are also formed, for example, from a lightweight metal having an electrically non-conductive coating. The specific dimensions of the cartridge 20 depend on the intended use of the cartridge 20, for example on the dimensions of the battery compartment of the telephone.
[0023]
Referring to FIG. 7, the battery 50 is a flat metal-air battery having a rectangular or square cross section and a size such that the battery 50 can be disposed in the cartridge 20. The flat cathode tube 210 is formed from a current collector, for example, a metal mesh screen coated with a cathode coating mixture of an active material. The mixture comprises a binder, carbon particles and a catalyst for reducing peroxides such as manganese compounds. Useful catalysts include manganese oxides, such as, for example, Mn ₂ O ₃ , Mn ₃ O ₄ , and MnO ₂ , which can be prepared by heating manganese nitrate or reducing potassium permanganate. Preferred binders include polytetrafluoroethylene (PTFE) particles. After the cathode coating mixture has cured, the cathode assembly is heated to remove residual volatiles from the cathode structure.
[0024]
The outside of the tube 210 facing the battery opening 80 is covered with a PTFE barrier film 220. Membrane 220 helps maintain a constant humidity level within battery 50. Membrane 220 keeps the electrolyte from leaking from the battery and prevents CO ₂ from leaking into the battery.
[0025]
The separator 260 is inserted into the cathode tube 210. Separator 260 is a porous, electrically insulating polymer, such as polypropylene, for contacting the electrolyte with the cathode.
[0026]
The size of the air plenum or air-filled space 250 is a function of the application of the battery pack 10 and the characteristics of the cathode. For example, how much current is desired from the battery pack 10 and how low the oxygen concentration of the cathode of the battery 50 can operate correctly affects the design of the air-filled space 250. In general, after the use of the pack 10 and / or the characteristics of the cathode have been determined, the air-filled space 250 is opened from the first battery opening and from the first battery opening and the battery opening adjacent to the first battery opening. It is designed so that the air flowing to equidistant points on the outer surface of cathode 210 is reduced smoothly. This design can provide a cathode 210 with constant air flow for constant battery performance.
[0027]
In particular, the air-filled space 250 is designed by an approximation method in Fick's First Law (Jr = −D∂C / ∂r) applicable to a one-dimensional steady state system. FIG. 8 shows a portion of the battery pack 10, where b is the height of the air-filled space 250 (eg, less than about 1 cm, more preferably less than about 0.1 cm, eg, 0.08 cm), and w is the distance between the openings. (From center to center, eg, about 0.1 cm to about 1 cm, eg, about 0.2 cm), and L is the length of the air-filled space 250 (eg, about 1.5 cm). The mass transport of oxygen in the air-filled space 250 is generally characterized as follows.
(Integrated amount of material) = [the amount of generation of _{O 2} + _{O 2} of influx] - [consumption out flux + _{O 2} of _{O 2]} (1)
In a metal-air battery, no oxygen is generated.
[0028]
Applying Fick's first law, equation (1) becomes:
(Equation 5)

Where Jx = diffusion flux of oxygen in x direction;
∂Jx / ∂x = rate of change of flux across control volume;
Δx = control volume thickness;
Itotal = the amount of current flowing in a specific area, for example, 300 mA / cm ₂ ;
n = number of electrons involved in oxygen reduction (4);
F = Faraday constant (96,485 coulombs / mol);
∂C / ∂t = rate of accumulation of material in the control volume of the excess time.
[0029]
Using algebra, equation (2) can be transformed to equation (3) and then to equation (4).
(Equation 6)

Here, ΔC / Δt = difference in accumulation between two points in time.
[0030]
As shown in equation (5), the accumulation of oxygen in the air-filled space is the sum of the steady state component (Cs (x)) and the transient component (C ₁ (x, t)).
C (x, t) = C ₁ (x, t) + Cs (x) (5)
[0031]
However, if the approximation method is used here, only the steady state component needs to be considered. Therefore, equation (4) becomes as follows.
(Equation 7)

Where D is the diffusion coefficient.
[0032]
Using the ideal gas law, equation (6) is transformed into equation (7).
(Equation 8)

Where P = pressure; R = universal gas constant; T = temperature.
[0033]
Equation (8) is obtained by integrating equation (7) twice.
(Equation 9)

By definition, P _{x = 0} = P _I (10)
_{_{P x = L = P 0 (}} 11)
Where P _I = atmospheric pressure, eg, 0.21 atm O ₂ ; and P ₀ = minimum pressure, eg, less than about 0.21 atm, eg, less than about 0.15 atm, less than about 0.1 atm, and about 0.1 atm. It is less than 05 atm.
[0034]
Solving for C ₁ and C ₂ yields:
(Equation 10)

[0035]
Substituting Equations (10)-(13) into Equation (8) yields the following equation.
(Equation 11)

[0036]
Equation (14) is used to design the air-filled space 250. In a given plenum or air-filled space design, all variables in equation (14) are kept constant except for the plenum height (b) and pressure (P). The value of certain variables is kept constant, for example, P ₀ is chosen empirically. Other variables, such as the length of the plenum (L) and the desired current value (Itotal), are defined and limited by the actual application of the battery pack 10, such as the dimensional limitations of the device in which the pack 10 is used, or the performance of the cathode. Is done.
[0037]
Equation (14) then uses a different plenum height (b) to produce a distribution of pressure (P) or, for example, at atmospheric pressure (eg, about 0.21 atm of O ₂ at standard temperature and pressure (STP)). )) To the lowest pressure, until it draws a smoothly decreasing shape that goes down a slope as a function of a polynomial. The lowest pressure determined empirically is selected to obtain good battery characteristics. Preferably, the minimum pressure (P ₀ ) is from about 0 to about 0.21 atmosphere of O ₂ , for example, about 0.1 atmosphere.
[0038]
To assemble the battery 50, the cathode tube 210 wrapped around the barrier member 220 and including the separator 260 is disposed in a flat can 230 having a battery opening 80. To seal the cathode, the can 230 includes a conductive hot melt 240, for example, a polyamide loaded with carbon, graphite, or nickel. The cathode current collector should be electrically connected to the bottom of the can 230. The electrical connection is made by direct physical contact of the cathode current collector with the bottom of the can, for example, by welding the current collector to the bottom of the can. Alternatively, conductive tabs can be attached to both the current collector and the bottom of the can. Cathode tube 210 and can 230 together form an air plenum 250 therebetween.
[0039]
After the cathode tube 210 is loaded, the internal cavity formed by the separator 260 and the cathode tube 210 is then filled with the anodic gel 270.
[0040]
The anode gel 270 contains a mixture of zinc and an electrolyte. The mixture of zinc and electrolyte prevents leakage of the electrolyte from the battery and helps suspend zinc particles in the anode.
[0041]
The zinc material is a zinc powder alloyed with lead, indium, aluminum or bismuth. For example, zinc is alloyed with about 400 to 600 ppm (eg, 500 ppm) of lead, about 400 to 600 ppm (eg, 500 ppm) of indium, and about 50 to 90 ppm (eg, 70 ppm) of aluminum. The zinc material preferably contains lead, indium and aluminum, lead and indium, or lead and bismuth. In addition, zinc contains lead without other metal additives. The zinc material may be air blown or spun zinc. Suitable zinc particles are described, for example, in U.S. Pat. S. S. N. No. 09 / 156,915, filed on Aug. 1, 1997, U.S. Pat. S. S. N. No. 08 / 905,254, and U.S. application Ser. S. S. N. No. 09 / 115,867, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[0042]
The zinc particles can be spherical or non-spherical. For example, zinc particles are needle-shaped (having an aspect ratio of at least 2). The zinc material mainly comprises particles having a size between 60 and 325 mesh. For example, a zinc material has the following particle size distribution:
0-3% by weight on a 60 mesh screen;
40-60% by weight on 100 mesh screen;
30-50% by weight on 200 mesh screen;
0-3% by weight on 325 mesh screen;
0-0.5% by weight on pan
[0043]
Suitable zinc materials are available under the trade name Union Miniere from Overpelt, Belgium, Duracell, USA, Norlanda, USA, and Grillo, Germany. ) Or zinc commercially available from Toho Zinc Company of Japan.
[0044]
The gelling agent is a polyacrylate absorbent. The polyacrylate sorbent has a salt content of less than about 30 grams per gram of gelling agent, as measured by the method described in U.S. Patent No. 4,541,871 (herein incorporated by reference). It has an absorbable envelope that contains it. The anodic gel contains less than 1% gelling agent by weight as dry zinc in the anode mixture. Preferably, the gelling agent content is about 0.2 to 0.8% by weight, more preferably about 0.3 to 0.6% by weight, and most preferably about 0.33% by weight. The polyacrylate absorbent is sodium polyacrylate produced by suspension polymerization. Suitable sodium polyacrylate has an average particle size of about 105 to 180 microns and a pH of about 7.5. Suitable gelling agents are described, for example, in U.S. Pat. No. 4,541,871, U.S. Pat. No. 4,590,227, and U.S. Pat. No. 4,507,438.
[0045]
In one embodiment, the anodic gel includes a non-ionic surfactant. The surfactant may be a nonionic phosphate interface having a zinc surface coated with, for example, a nonionic alkyl phosphate or a nonionic allyl phosphate (for example, RA600 or RM510 (trade name, manufactured by Rohm & Haas)). Activator. The anodic gel contains about 20 to 100 ppm of surfactant coated on the surface of the zinc material. Surfactants also act as gassing inhibitors.
[0046]
The electrolyte is an aqueous solution of potassium hydroxide. The electrolyte contains about 30 to 40%, preferably 35 to 40% potassium hydroxide. The electrolyte also contains about 1-2% zinc oxide.
[0047]
After the anodic gel 270 has been placed on the can 230, a pre-assembled top assembly 280 is placed on top of the can 230. Top assembly 280 includes seal 300, current collector 290, and end lid 305 welded to current collector 290. The current collector 290 is made of a suitable metal such as brass, for example. The seal 300 is made of, for example, nylon. Additionally, a non-conductive hot melt from BiWax Corp. is disposed between the seal 300 and the cathode tube 210 to minimize leakage of electrolyte and anode material. The upper perimeter (or lip) of the can 230 is swaged with the pre-assembled top assembly 280 to seal the top assembly 280 at the top of the can 230.
[0048]
During storage, the battery 50 is covered with a removable sheet that covers the battery air inlet and outlet 80. Sheets that are, for example, oxygen impermeable and hydrogen permeable sheets restrict the flow of air between the inside and outside of the battery. The user tears the sheet from the battery prior to use, allowing oxygen from the air to enter the battery. The battery is stored in a sealed metal bag. The user removes the battery from the bag before use.
[0049]
Other embodiments of the metal-air battery and its manufacturing method are described in, for example, U.S. Pat. S. S. N. No. 09 / 374,277, filed Aug. 13, 1999, U.S. Pat. S. S. N. No. 09 / 374,278, U.S. application Ser. S. S. N. U.S. application Ser. No. 09 / 416,799, filed Oct. 26, 1999 in the United States. S. S. N. No. 09 / 427,371, filed on Jan. 31, 2000, U.S. Pat. S. S. N. No. 09 / 494,586, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[0050]
The present invention can be implemented in other embodiments. For example, the cartridge 20 may not have the latch 90 or the notch. The cartridge 20 is not limited to a rectangular shape, and may be embodied in other shapes such as a circular flat battery 400, for example, a button battery and a wafer battery, as shown in FIG. Thus, the battery 50 can be formed in other shapes that match the cartridge 20. Battery 50 may also be formed as a single unit, for example, having three separate batteries side by side. The groove 60 is formed as part of a sliding holding frame that is heat staked or welded to the casing 30 rather than being formed integrally with the casing 30. Further, while the aforementioned device is a telephone, the cartridge 20 can be used with other electronic devices, such as portable radiotelephones, radios, computers and small calculators. Since these devices do not require a standby mode of operation, cartridge 20 should be configured so that battery openings 80 and sliding openings 70 are properly positioned. Other configurations for battery opening 80 and sliding opening 70 are possible. For example, the battery opening 80 and the sliding opening 70 may be slots or one opening extending to the sliding body 40 or the battery 50, respectively.
[0051]
FIG. 10 shows another embodiment of the battery cartridge 20. The casing 30 and the slide 40 are generally as described above. Battery 500, which is generally similar to battery 50, has an elongated structure having a triangular flat shape, for example, a triangular cross section. The can 510 having a battery opening (not shown) and a cathode 520 is formed as a triangular flat tube defining an air plenum 530 therebetween. The anode 270, barrier film (not shown), and separator (not shown) are placed in the can 510 as described above. In one embodiment, casing 30 and / or slide 40 includes a V-shaped groove 540 for holding battery 500 in place. Groove 540 includes a sealant.
[0052]
Battery 500 is generally formed as described above for battery 50. Since the battery 500 is formed on the can 510 with only two folds, only one seam is created. By offsetting the angle, the battery 500 is effectively packed into the cartridge 20, so that the battery has a relatively large surface area.
[0053]
All publications and patents mentioned herein are hereby incorporated by reference to the same extent as if each individual publication or patent was specifically and individually indicated to be incorporated by reference.
[0054]
Other embodiments are within the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG.
It is a perspective view of one embodiment of a battery cartridge.
FIG. 2
FIG. 2 is a top view of an embodiment of a battery cartridge.
FIG. 3
It is sectional drawing of one Embodiment of a battery cartridge.
FIG. 4A
FIG. 4 is a plan view of the latch in an extended position according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4B
FIG. 3 is a plan view of the latch in the retracted position of one embodiment of the present invention.
FIG. 5A
FIG. 4 is a schematic view of a sliding opening and a battery opening that are not completely overlapped.
FIG. 5B
FIG. 4 is a schematic view of a sliding opening and a battery opening that partially overlap.
FIG. 5C
FIG. 2 is a schematic view of a sliding opening and a battery opening that are completely overlapping.
FIG. 6
FIG. 3 is a schematic view of an embodiment of a battery cartridge having an auxiliary power supply.
FIG. 7
It is a longitudinal section of an embodiment of a battery.
FIG. 8
It is a schematic diagram of an embodiment of a battery cartridge.
FIG. 9
1 is a perspective view of an embodiment of a battery cartridge.
FIG. 10
It is a schematic perspective view of an embodiment of a battery cartridge.

Claims

少なくともひとつの空気出入り口と空気プレナム（ｐｌｅｎｕｍ）を有する金属空気電池の製造方法であって、この方法は、
フィックの法則（Ｆｉｃｋ’ｓＬａｗ）に基づいて誘導された空気プレナムの厚さを決定する工程と、決定された厚さを有する空気プレナムを備える電池を形成する工程と
を具備することを特徴とする金属空気電池の製造方法。A method of manufacturing a metal-air battery having at least one air inlet and an air plenum, the method comprising:
Determining a thickness of the induced air plenum based on Fick's Law; and forming a battery with the air plenum having the determined thickness. Of manufacturing metal-air batteries.

前記厚さを決定する工程は一次元の定常状態系にフィックの法則を適用することを特徴とする請求項１に記載の方法。The method of claim 1 wherein the step of determining a thickness applies Fick's law to a one-dimensional steady state system.

前記厚さを決定する工程は、次の式で反復して決定され、

ここで、Ｐは圧力，Ｒ＝普遍的なガス常数；Ｔ＝温度、Ｉｔｏｔａｌ　は、特定面積に流れる電流量、Ｌは空気プレナムの長さ，ｂは空気プレナムの厚さ，Ｄは拡散係数，ｗは開口と開口との間隔、ｎは還元酸素に含まれる電子の数、Ｆはファラディ定数、ｘは制御容積の厚さ，Ｐ_Ｉは、大気圧，Ｐ_０は最低圧力であることを特徴とする請求項１に記載の方法。The step of determining the thickness is iteratively determined by the following equation:

Where P is pressure, R = universal gas constant; T = temperature, Ital is the amount of current flowing in a specific area, L is the length of the air plenum, b is the thickness of the air plenum, D is the diffusion coefficient, characterized in that w is distance between the aperture and the opening, n represents the number of electrons contained in the reducing oxygen, F is Faraday constant, x is the thickness of the controlled volume, P _I is the atmospheric pressure, P ₀ is the minimum pressure The method of claim 1, wherein:

前記Ｐ_０は、約０と０．２１気圧の間から選ばれた値であることを特徴とする請求項３に記載の方法。Wherein P ₀ A method according to claim 3, characterized in that a value selected from between about 0 and 0.21 atm.

更に前記ｘの関数として、Ｐをプロットしてなることを特徴とする請求項３に記載の方法。4. The method of claim 3, further comprising plotting P as a function of x.

更に前記ｘ／Ｌの関数として、Ｐをプロットしてなることを特徴とする請求項３に記載の方法。4. The method of claim 3, further comprising plotting P as a function of x / L.

空気出入り口を有する缶と、
前記缶内のカソードと
を具備する電池において、前記缶と前記カソードは、フィックの法に基づいて決定される厚さを有する空気プレナムを画定することを特徴とする電池。A can having an air inlet / outlet;
A battery comprising a cathode in the can, wherein the can and the cathode define an air plenum having a thickness determined according to Fick's method.

前記空気プレナムの厚さは、次の式の反復により決定され、

ここで、Ｐは圧力，Ｒは普遍的なガス常数、Ｔは温度、Ｉｔｏｔａｌ　は、特定面積に流れる電流量、Ｌは空気プレナムの長さ，ｂは空気プレナムの厚さ，Ｄは拡散係数，ｗは開口と開口との間隔、ｎは還元酸素に含まれる電子の数、Ｆはファラディ定数、ｘは制御容積の厚さ，Ｐ_Ｉは大気圧，Ｐ_０は最低圧力であることを特徴とする請求項７に記載の電池。The thickness of the air plenum is determined by repeating the following equation:

Where P is pressure, R is a universal gas constant, T is temperature, Ital is the amount of current flowing in a specific area, L is the length of the air plenum, b is the thickness of the air plenum, D is the diffusion coefficient, w is distance between the aperture and the opening, n represents the number of electrons contained in the reducing oxygen, F is said the Faraday constant, x is the thickness, P _I is the atmospheric pressure, P ₀ is the lowest pressure in the control volume The battery according to claim 7, wherein

前記カソードは二酸化マンガンを含むことを特徴とする請求項７に記載の電池。The battery of claim 7, wherein said cathode comprises manganese dioxide.

更に亜鉛を含むアノードを備えることを特徴とする請求項７に記載の電池。The battery according to claim 7, further comprising an anode containing zinc.

前記缶は、長方形の断面を有することを特徴とする請求項７に記載の電池。The battery according to claim 7, wherein the can has a rectangular cross section.