JP4395371B2 - 強化セパレータを有する電気化学セル - Google Patents

Description

本発明は一般に、管状形のセパレータを使用して電池電極を収容しこれらを互いに物理的に分離する円筒形電池に関する。より具体的には、本発明は、電池の電解質によって湿潤されたときに、構造的剛性を維持する自立構造部分を有するセパレータに関する。

円筒形電池は、消費者が懐中電灯、ラジオ、及びカメラといった広範囲の機器で使用するのに好適である。これらの機器で使用される電池は一般に、２つの電極と、セパレータと、ある量の電解質と、閉鎖組立体とを収容するために円筒形の金属容器を用いている。一般的な電極材料は、カソードとして二酸化マンガンと、アノードとして亜鉛とを含む。亜鉛は、通常ゲル中に浮遊する粒子の形態で使用される。一般に電解質は水酸化カリウム水溶液である。従来、１つ又はそれ以上の紙のストリップから形成されたセパレータは、電極間に位置付けられる。電解質は、セパレータとゲル化媒体とによって容易に吸収される。

電池製造業者が対処すべき問題の１つは、電池内のアノードとカソード間の直接接触を回避すべきであるという要件である。アノードとカソードとが互いに物理的に接触可能である場合には、化学反応が生じて電池の有用な電気化学的容量が低下する。セパレータの機能はアノードとカソードとの間で直接接触を防止する一方で、これらの間にイオン導電を可能にすることである。

小さな円筒形電池は、製造及び配送工程に付随する物理的な過酷さ、並びに消費者による電池の取り扱いに耐えるように製造しなければならない。特に、電池は、消費者による偶発的な落下に耐え得る必要がある。多くの円筒形アルカリ電池で使用されるゲル化アノードのような半流体電極を有する電池において、このような落下はアノードの小さな部分を断片化させ、これにより残りのアノードからの離脱が生じる可能性がある。この断片化されたアノードが、カソードと直接接触する状態になることは防止しなければならない。同様に、カソードが硬質で、セルが落下したときに断片化しやすい場合には、カソードの小断片がカソード本体から分離する可能性があるので、封じ込めが必要である。図１に示すように、多くの従来のセル構造体は、Ｖ字形の脚部８０を含むゴム状封止部材７８を使用して、このＶ字形の脚部８０がセルの内部に突出してコイル状に巻かれたセパレータ２０の頂部に接触し、これによりアノード断片６４がカソード５４に接触するのを防止する障壁を形成することによってこの問題に対処していた。しかしながら、従来の封止設計に基づくＶ字形突起は、より有効に利用してセルの電気化学的な活性材料の追加量を保持することができたはずのセル内部容積部分を占有する。従って、カソードからアノードを隔離する障壁を形成するためにセパレータと協働することのない低容積封止設計を使用する多くのセル設計が提案されてきた。残念なことに、アノードの封じ込めに役立つ封止部分を除去すると、消費者がセルを落としたときに、アノードとカソード間の内部短絡のレベルが増大する結果となった。内部短絡問題は、アノード／カソード境界面より上に置かれたセパレータの自立構造部分が、セルの電解質の一部を吸収したときにその剛性を失い、次いで低容積封止から離れて崩壊する結果、アノードとカソード間に遮られることのない経路が生成されることに起因する。図２に示すように、セパレータ２０の崩壊部分４６により、アノード６６の断片６４がカソード５４に接触可能になっている。

米国特許第６，２７０，８３３Ｂ１号公報

従って、セパレータが小さな電極の断片でさえも閉じ込めることができ、これによって電気的な内部短絡回路が形成されるのを防止するように、セルの電解質が吸収された後に構造的に自己支持するセパレータに対する必要性が存在する。

本発明は、セル電解質の一部を吸収した後でも構造的に自己支持する自立構造の強化部分を有するセパレータを備えた電気化学セルを提供する。このセパレータは、セパレータの縁部をコーティングすることによって強化され、その結果、この強化縁部は、一方の電極の断片化された部片がセルの他方の電極に接触するのを防止する。セパレータの一部分を強化するのに使用されるコーティング材料は、セル内で極めて僅かな容積しか占有しない。

１つの実施形態においては、本発明の電気化学セルは、開口端部と、閉鎖端部と、側壁とを有する容器を含む。第１電極は、容器内に配置され、内面を有するキャビティを定める。電解質は、容器内に配置され、第１電極に接触する。セパレータは、第１電極によって定められるキャビティの内面にライニングを形成する。このセパレータは、第１電極を越えて容器の開口端部に向かって延びる自立構造の強化縁部を有する。この強化縁部は、セパレータが電解質の一部を吸収した後にセパレータの縁部に構造的支持を与える強化材料を有する。第２電極は、セパレータキャビティ内に配置される。このセパレータは、第１及び第２電極間に界面を形成する。閉鎖組立体は、容器の開口端部に固定される。

本発明は又、セルを製造する方法に関する。この方法は、以下の段階を含む。
セパレータ材料のストリップを準備する段階。セパレータの少なくとも一つの縁部を強化材料でコーティングする段階。コーティングされたセパレータストリップをコイル状に巻いて、コーティングされていない部分と、一方端部に開口部を定めるコーティングされた強化縁部とを有する管体を形成する段階。開口端部を有し、そこにキャビティを定める第１電極を含む容器を準備する段階。コーティングされていない部分が第１電極に接触し、且つ管体のコーティングされた縁部が第１電極を越えて容器の開口端部に向かって延びるように、コイル状に巻かれた管体を第１電極によって定められるキャビティに挿入する段階。コイル状に巻かれたセパレータによって定められる管体に第２電極を挿入する段階。容器の開口端部に閉鎖組立体を固定することによって容器を閉鎖する段階。

本発明は又、セルを製造するための別の方法に関する。この方法は、以下の段階を含む。セパレータ材料を準備する段階。このセパレータをコイル状に巻いて管体を形成する段階。管体の縁部を強化材料でコーティングする段階。開口端部と、閉鎖端部と、キャビティを定める第１電極とを有する容器を準備する段階。
管体の開口端部が容器の開口端部に極めて近接し、且つ管体の反対側の端部が容器の閉鎖端部に近接するように、コイル状に巻かれてコーティングされたセパレータの管体をキャビティに挿入する段階。コイル状に巻かれたセパレータによって定められる管体に第２電極を挿入する段階。容器の開口端部に閉鎖組立体を固定することによって容器を閉鎖する段階。

本発明は、セルを製造する更に別の方法に関する。この方法は、以下の段階を含む。開口端部と、閉鎖端部と、容器内に配置された第１電極とを有する容器を準備する段階。この第１電極はキャビティを定める。強化材料でコーティングされた２つの相対する縁部を有する第１の長方形のセパレータのストリップを準備する段階。セパレータのコーティングされていない部分がキャビティの内側を覆い、且つコーティングされた縁部が第１電極を越えて容器の開口端部に向かって延びるように、第１電極によって定められるキャビティにコーティングされたセパレータのストリップを挿入する段階。第２電極をセパレータで内側が覆われたキャビティに挿入する段階。容器の開口端部に閉鎖組立体を固定することによって容器を閉鎖する段階。

次に、図面、詳細には図８を参照すると、組み立てられた本発明の電気化学セルの断面図が示されている。このセルの構成部品は、セルの外側から、容器１０と、容器１０の内面に隣接して位置付けられた第１電極５０と、第１電極５０の内面５６に接触するセパレータ２０と、セパレータ２０によって定められるキャビティ内に配置された第２電極６０と、容器１０に固定された閉鎖組立体７０である。容器１０は、開口端部１２と、閉鎖端部１４と、これらの間にある側壁１６とを有する。閉鎖端部１４、側壁１６、及び閉鎖組立体７０は、キャビティを定め、該キャビティ内にセルの電極が収容される。

第１電極５０は、二酸化マンガンと、黒鉛と、水酸化カリウムを含む水溶液との混合物である。この電極は、ある量の混合物を端部が開いた容器中に配置し、次いでラムを使用して、容器の側壁と同心のキャビティを定める固体円筒形状に成形することによって形成される。第１電極５０は、桟部５２と内面５６とを有する。或いは、カソードは、二酸化マンガンを含む混合物から複数のリングを予備成形し、次いで、該リングを容器に挿入して、円筒形状の第１電極を形成することにより形成してもよい。

第２電極６０は、水性アルカリ性電解質と、亜鉛粉末と、架橋ポリアクリル酸のようなゲル化剤との均一混合物である。水性アルカリ性電解質は、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、又はこれらの混合物といったアルカリ金属水酸化物を含む。好ましいのは水酸化カリウムである。本発明のセルで用いるのに好適なゲル化剤は、米国オハイオ州クリーブランド所在のＢ．Ｆ．Ｇｏｏｄｒｉｃｈ，Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎから入手可能なＣａｒｂｏｐｏｌ９４０（登録）などの架橋ポリアクリル酸とすることができる。カルボキシメチルセルロース、ポリアクリルアミド、及びポリアクリル酸ナトリウムは、アルカリ電解質溶液での使用に好適な他のゲル化剤の例である。亜鉛粉末は、純粋亜鉛か、或いはインジウム、鉛、ビスマス、リチウム、カルシウム、及びアルミニウムからなるグループから選択された１つ又はそれ以上の金属の適切な量を含む合金とすることができる。適切なアノード混合物は、６７重量パーセントの亜鉛粉末と、０．５０重量パーセントのゲル化剤と、３２．５重量パーセントのアルカリ電解質とを含み、このアルカリ電解質は４０重量パーセントの水酸化カリウムを有する。亜鉛の量は、アノードの重量の６３パーセントから７０パーセントの範囲とすることができる。ガス発生抑制剤、有機又は無機防錆剤、結合剤又は界面活性剤といった他の構成要素は、上記成分に任意的に追加することができる。ガス発生抑制剤又は防錆剤の例には、（水酸化インジウムのような）インジウム塩、ペルフルオロアルキルアンモニウム塩、アルカリ金属硫化物などを含むことができる。界面活性剤の例は、ポリエチレンオキシド、ポリエチレンアルキルエーテル、ペルフルオロアルキル化合物などを含むことができる。

第２電極は、上述の成分をリボン・ブレンダ又はドラム・ミキサーで混合し、次に混合物を加工して湿潤スラリーにすることによって製造することができる。スラリーはまた、流動性を有するペースト又は半流体の混合物として説明することができる。スラリーは、該スラリーを収容する容器の振動又は落下などの物理的衝撃に曝されたときに断片化されやすい。電池において、スラリーの小さな溶滴又は断片は、スラリーのバルクから分離されることにより、溶滴が第１電極に物理的に接触しないように規制されていない場合には、結果としてセル内で電気的短絡を生じる。

本発明のセルで用いるのに好適な電解質は、３７重量パーセントの水酸化カリウム水溶液である。この電解質は、第１電極によって定められたキャビティ内へある量の流体電解質を配置することによってセルに組み入れることができる。この電解質はまた、第２電極の製造に使用される工程中、ゲル化媒質に水酸化カリウム水溶液を吸収させることによってセルに導入することができる。電解質をセルに組み入れるのに用いる方法は、電解質が第１電極５０、第２電極６０、及びセパレータ２０に接触している場合には重要ではない。

閉鎖組立体７０は、閉鎖部材７２と集電子７６とを含む。閉鎖部材７２は、セルの内圧が過剰になると閉鎖部材７２が破裂することができる通気口８２を含むように成形される。閉鎖部材７２の内面７４は、閉鎖部材によって占有される容積を最小にするように設計され、従って、断片化された電極の移動を制限するように設計された突起は使用しない。更に、セパレータ２０は、閉鎖部材７２に付着して固定されない。閉鎖部材７２は、ナイロン６，６製であっても良く、或いは、集電子７６が第１電極用の集電子として機能する容器１０から電気的に絶縁されている場合には、金属などの他の材料で作られても良い。集電子７６は、黄銅製の細長い爪形の構成要素である。集電子７６は、閉鎖部材７２の中心に位置する穴を通して挿入される。

閉鎖部材７２は、薄型の閉鎖部材の実施例である。本明細書で使用される用語“薄型の閉鎖部材”は、セル電極の断片を物理的に分離するよう意図された障壁を形成するようには構成されていない内面を有する閉鎖部材を表すことを意図する。この薄型の閉鎖部材は、通気可能な部分を有しても良く、又は有さなくても良い。１つの実施形態において、この薄型の閉鎖部材は、中心配置のダイアフラムを含まないリング形ガスケットである。

図３及び図４に示すように、セパレータ２０は、長方形の多孔性フィルムで作られ、コイル状に巻かれて管体４８を形成している。このフィルムは、不織繊維製である。セパレータの機能の１つは、第１電極と第２電極の界面に障壁を形成することである。この障壁は、電気絶縁性があり、イオン浸透性がなければならない。セパレータの他の機能は、第１電極と第２電極から遊離した小断片との間の直接的な物理的接触を防止することである。一般に、第２電極からの断片は、セルが落下、衝撃、振動などを受けた場合に第２電極のバルクから分離されてくる。

図８に示すように、第１電極と第２電極の境界面を越えて延びるセパレータの自立構造部分は、閉鎖部材７２の内面７４と、コイル状に巻かれたセパレータ２０の内面４２と、第２電極６０の面６２とによって定められる容積内に第２電極の断片６４を閉じ込める障壁を形成する必要がある。コイル状に巻かれたセパレータ２０の第１領域３０（図４参照）が電池の耐用年数の間、容器の側壁に対して実質的に平行を維持することを保証するため、第１領域は、構造的支持を与えるよう強化される。好ましくは、セパレータの強化は、セパレータがセルの電解質に接触した後に強度を失うことのない強化材料でセパレータの端部をコーティングすることによって達成される。

図３を参照すると、セパレータ２０は、頂端部２２と、底端部２４と、前縁２６と、後縁２８とを有する長方形の材料のストリップである。全体として考えると、頂端部、底端部、前縁、及び後縁は、セパレータの外周を定める。ストリップは、長さＬ及び高さＨを有する。頂端部２２よりも下に配置されたセパレータの一部分は、強化材料でコーティングされ、これによりセパレータのコーティング縁部分を生成する。ここで使用される用語“強化材料”とは、セパレータ上にコーティングされる材料であって、該セパレータがセルの電解質を吸収した後にコーティングされたセパレータに構造的剛性を与え又はこの剛性を維持するものを意味する。構造的剛性は、繊維が電解質を吸収せず、構造的に自立する能力を失わないように、セパレータの繊維をコーティングすることによって維持することができる。或いは、セルの電解質に接触すると凝固して、セパレータのコーティングされた縁部の現位置でフィルムを形成する材料でセパレータの繊維をコーティングすることによって、コーティングされたセパレータの構造的剛性を維持又は改善してもよい。ここで使用されるセパレータのコーティングされた縁部は、セパレータの強化縁部として定義される。強化縁部により、セパレータが電解質と接触する前に存在していたセパレータの構造的剛性が維持可能である。コーティング材料は、セパレータの片側又は両側に塗布することができる。更に、コーティングをセパレータの片側に塗布した後、セパレータを透過して該セパレータの反対側に浸透させても良い。好適なコーティング材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、パラフィン、メチル・セルロース、及びキトサンを含む。コーティング材料は、セル内に含まれる電解質又は他の材料によって生じる劣化に対して耐性がなければならない。

図４に示すように、セパレータ２０は、２つの別個の領域を有する。第１領域３０は、セパレータが構造的に強化される材料でコーティングされることにより強化縁部を形成する部分である。第２領域３２は、セパレータが第１領域で用いられる構造強化材料でコーティングされない部分である。セパレータの第２領域は、以下に説明するように、セパレータがセルに組み込まれたときに第１電極と第２電極の境界面に配置される。一方、セパレータの第１領域は、電極によって定められる界面を越えて突出し、セパレータの自立構造部分を形成する。第１領域の全表面を強化材料でコーティングするのが好ましい。しかしながら、セパレータがセル電解質を吸収した後でも第１部分が直立を維持することができる場合には、セパレータの第１領域の全表面よりも少なくコーティングしても良い。例えば、強化材料は、強化縁部内の一部がコーティングされていないセパレータを提供するパターンで塗布しても良い。図５に示すように、実施可能な１つのパターンは、容器１０の側壁１６に平行な強化材料のストリップ３４を塗布することである。ストリップは、セパレータのコーティングされない区域３６によって隔てられる。図６に示すように、実施可能な別のパターンは、容器１０の側壁１６に対して直角で、コーティングされない区域４０によって隔てられるコーティング材料のストリップ３８を塗布することである。必要であれば、強化材料の１つのパターンをセパレータの片側に塗布し、異なる強化材料のパターンをセパレータの反対側に塗布してもよい。

図７に、図３のセパレータの拡大断面図を示す。図面の縮尺は、詳細を適切に示すために過度に大きくしてある。セパレータ２０の両側は、強化材料４４でコーティングされる。更に、セパレータの繊維は強化材料によりコーティングされている。

図９に、本発明のセルに有用なセパレータの別の実施形態を示す。この実施形態は、頂端部１４２及び底端部１４４が少なくとも１つの強化材料でコーティングされているセパレータ材料１４８の長方形のストリップを使用する。頂端部及び底端部は、同一の強化材料でコーティングしても良く、又は異なる強化材料でコーティングしても良い。次いで、ストリップ１４８は２つ又はそれ以上のサブストリップ１４０に切断される。各ストリップの幅は、容器１０の第１電極５０によって定められるキャビティ外周の１／２又はそれ以上である。サブストリップ１４０は、サブストリップ１４０の中央領域１４６が容器１０の閉鎖端部１４の内面に並べて置かれるように挿入される。サブストリップ１４０のコーティングされた端部１４２及び１４４は、第１電極５０より上に容器１０の開口端部１２に向かって延びる。

図１０Ａ及び１０Ｂには、本発明のセルに有用なセパレータの別の実施形態を示している。セパレータのストリップ１６０は、２つの互いに平行な縁部に少なくとも１つの強化材料でコーティングされる。ストリップは、コイル状に巻かれて管体１６６を形成する。ストリップ１６０の、コーティングされた頂端部１６２は、管体１６６の開口端部で強化セパレータのリングを形成する。セパレータ１６０の底端部１６４は、折り畳み、しわ寄せ、アイロン掛け、又は他の方法により形成されて管体１６６の底部が封止される。管体１６６の底部を形成する工程は、米国特許第６，２７０，８３３Ｂ１号で開示されている。

次に、本発明のセルの製造に使用可能な工程を説明する。図１１に示すように、第１工程は、セパレータを準備する段階１００を含む。好ましい実施形態において、セパレータは、長方形に形づくられた不織繊維のフィルムである。セパレータは、第１広面と、該第１広面の反対側のセパレータに位置する第２広面と、セパレータの外周を定める縁部とを有する。次に、段階１０２で示されるように、セパレータの外周に隣接して位置するセパレータの広面のストリップ状部分が強化材料でコーティングされる。コーティングは、セパレータの広面の片方のみに塗布されても良く、又は両方に塗布されても良い。１つの実施形態において、強化材料は、セパレータの片側にフィルムを形成するのではなく、セパレータの繊維をコーティングする。このコーティングは、セパレータがセルに挿入された後に、コーティングされた繊維によってセルの電解質の吸収を防止することができ、又は実質的に制限することができる。或いは、コーティングは、セルの電解質に接触すると凝固して、セパレータのコーティングされた部分に構造的強度を与える。このコーティングは、セパレータ縁部に隣接するセパレータ表面部分に対して、ポリエチレンなどの適切な材料の液体層を塗布可能な従来のロールコーティング機によって塗布することができる。１つの実施形態において、コーティングは、長方形セパレータの一方の縁部だけに沿って塗布される。第２の実施形態において、コーティングは、長方形セパレータの２つの互いに平行な縁部に塗布される。コーティングが施された後、凝固してセパレータに堅固に接着される保護コーティングになる。必要であれば、２つ又はそれ以上のコーティングを塗布しても良い。各コーティングは、異なる化学組成及び／又は物理パラメータ（例えば、幅、厚みなど）であっても良い。段階１０４で示されるように、コーティングされたセパレータのストリップは、次いで、コイル状に巻かれてセパレータのコーティングされた部分によって定められる少なくとも１つの開口端部を有する管体を形成する。管体の他方の端部は封止され、端部が閉鎖された管状バスケットを形成する。段階１０６において、容器が準備される。上述のように、容器は開口端部を有し、キャビティを定める第１電極を含む。第１電極及びそこに形成されるキャビティは、容器の開口部と同心である。図１１において、段階１０８は、コイル状に巻かれたセパレータを第１電極により定められるキャビティに挿入する段階を示す。セパレータは、管体のコーティングされていない端部が第１電極に接触し、管体のコーティングされた縁部が第１電極を越えて容器の開口端部に向けて延びるように挿入される。１つの実施形態において、強化材料は、第１電極の表面を覆わず、従って遮らない。別の実施形態においては、強化材料は、第１電極と第２電極間の界面面積の小部分を遮断することができる。好ましくは、界面面積の２０パーセント未満が遮断される。更に好ましくは界面面積の５パーセント未満が遮断される。最も好ましくは、強化材料によって界面面積の１パーセント未満が遮断される。段階１１０で、第２電極はコイル状に巻かれたセパレータに挿入される。従来のアルカリ電池において、第２電極は、亜鉛粒子と、ゲル化剤と、電解質とを混合し、脆いスラリー又はペーストを形成することによって作られる。ペーストの粘度は、セルの落下時にペーストの小断片がセルのペースト本体から遊離するのを防止することができない。段階１１２は、閉鎖組立体を容器の開口端部に固定することによって容器を閉鎖する段階を示す。図８に示すように、閉鎖組立体７０は、閉鎖部材７２と集電子７６とを含む。

セル組立工程の間に、ある量の水性水酸化カリウム溶液がセルに組み入れられる。この溶液は、セルの電解質として機能する。電解質は、コイル状に巻かれたセパレータへ第２電極を挿入する段階の前に行われる電極製造工程中に、第２電極中のゲル化剤が電解質を吸収できるようにすることによってセルへ組み入れることができる。更に、ある量の電解質は、第１電極が容器に挿入された後でセルを閉鎖する前であれば何時でも部分的に完成したセルに供給することができる。

図１２に、本発明のセル製造の第２工程を示す。段階１２０は、セパレータを準備する段階を示す。好ましい実施形態において、セパレータは、長方形に形成された多孔性の不織材料のフィルムである。セパレータは、２つの広面とセパレータの外周を定める縁部とを有する。段階１２２において、セパレータは、コイル状に巻かれて少なくとも１つの開放端部を有する管体を形成する。管体の他方の端部は、封止されて端部が閉鎖された管状バスケットを形成する。バスケットは、該バスケットの側壁に１つ、２つ、又はそれ以上のセパレータ材料の層を含ことができる。層の数は、コイル状に巻く段階の前に、セパレータのストリップの長さを制御することによって決まる。段階１２４において、コイル状に巻かれたセパレータの開口端部が強化材料でコーティングされる。１つの実施形態において、コイル状に巻かれたセパレータの開口端部は、強化材料を流体状態で収容する槽に浸漬される。好ましくは、材料は、セパレータを通って浸透してセパレータの繊維をコーティングしても良い。コーティングは、セパレータがセルに挿入された後に、コーティングされた繊維によってセルの電解質の吸収を防止することができ、又は実質的に制限することができる。強化材料でコーティングされるセパレータの量は、セパレータがセルの電解質と接触した後に、セパレータのコーティングされた部分が容器の側壁に対して確実に平行を維持するのに必要とされる最小限の量でなければならない。浸漬コーティングの他に、スプレー法で強化材料をセパレータに塗布しても良い。必要であれば、セパレータは２回以上コーティングしても良い。コーティングは、異なる化学組成及び／又は物理パラメータであっても良い。コーティング後、凝固し、コイル状に巻かれたセパレータの開口端部に構造的に自立する円形区域を生成しても良い。段階１２６に示すように、容器が準備される。上述のように、容器は開口端部を有し、キャビティを定める第１電極を含む。第１電極及びそこに形成されるキャビティは、容器の開口部と同心である。図１２において、段階１２８は、セパレータ管の開口端部が容器の開口端部に極めて近接し、且つ該管の反対側の端部が容器の閉鎖端部に近接するように、セパレータ管を第１電極によって定められるキャビティに挿入する段階を示す。コイル状に巻かれたセパレータのコーティングされた縁部は、第１電極を越えて容器の開口端部に向かって延びる。段階１３０において、コイル状に巻かれたセパレータによって定められる管体へ第２電極が挿入される。従来の円筒形アルカリ電池において、第２電極はコイル状に巻かれたセパレータに挿入される。従来のアルカリ電池において、第２電極は、亜鉛粒子と、ゲル化剤と、電解質とを混合し、脆いスラリー又はペーストを形成することによって作られる。ペーストの粘度は、セルの落下時にペーストの小断片がセルのペースト本体から遊離するのを防止することができない。段階１３２は、閉鎖組立体を容器の開口端部に固定することによって容器を閉鎖する段階を示す。この組立体は、閉鎖部材と集電子とを含む。

図１３に、本発明のセルを製造する第３工程を示す。段階１８０は、開口端部と、閉鎖端部と、そこでキャビティを定める第１電極とを有する容器を準備する段階を示す。段階１８２は、強化材料でコーティングされた２つの相対する縁部を有する第１の長方形のセパレータのストリップを準備する段階を示す。セパレータのコーティングされていない部分は、この２つのコーティングされた縁部間にある。段階１８４において、第１の長方形のストリップは、第１電極によって定められるキャビティに挿入される。セパレータのコーティングされていない部分はキャビティの内側を覆い、コーティングされた縁部は、第１電極を越えて容器の開口端部に向かって延びる。コーティングされた縁部は、コーティングされた材料の連続するリングが第１電極と容器の開口端部間に形成されるように位置合わせされる。段階１８６において、セパレータで内側が覆われたキャビティに第２電極が挿入される。段階１８８は、容器の開口端部に閉鎖組立体を固定することによって容器を閉鎖する段階を示す。

第３工程の別の実施形態において、２つの相対する縁部を有する第２の長方形のセパレータのストリップが準備され、第１のセパレータストリップによって内側が覆われたキャビティに挿入される。第２ストリップの挿入段階は、第２電極の挿入段階の前に行われる。第１及び第２のセパレータストリップは、互いに直角に位置付けられる。第２ストリップの縁部は、第１電極を越えて容器の開口端部に向かって延びる。第２ストリップのこの２つの相対する縁部は、強化材料でコーティングしても良い。

上述のいずれかの方法を用いてセルを組み立てた後、第１電極と第２電極との間、従って境界面に位置する、これまでセパレータの第２領域として定められたセパレータの部分は、セルの電解質の一部を容易に吸収するため、その構造的剛性が部分的に失われる。しかしながら、セパレータのこの部分は、第１及び第２電極間に物理的に取り込まれるので、セパレータのこの第２領域は、適正に機能するために構造的に自立している必要はない。対照的に、これまでセパレータの第１領域として定められたコーティングされたセパレータの部分は、電池の耐用年数の間はセパレータが容器の側壁に対して実質的に平行を維持し、これによって、第２電極の断片が第１電極に接触するのを防止するように、セルの電解質に接触した後に構造的に自立していることが必要である。

上記説明は、好ましい実施形態だけに関する説明とみなされる。当業者及び本発明の実施者又は使用者であれば本発明の変更を行うことができるであろう。従って、図示され且つ上述された実施形態は、単に例証のためのものであり、均等論を含む特許法の原理に従って解釈される以下の請求項によって定められる、本発明の範囲を制限することを意図するものではない。

従来の電気化学セルの部分断面図である。 薄型の封止組立体を有する従来の電気化学セルの断面図である。 強化縁部を含むコイル状に部分的に巻かれたセパレータストリップの図である。 強化縁部を有するコイル状に完全に巻かれたセパレータストリップを示す図である。 セパレータの強化縁部に対して第１パターンの形で塗布された強化材料を有するセパレータを示す図である。 セパレータの強化縁部に対して第２パターンの形で塗布された強化材料を有するセパレータを示す図である。 図３のセパレータの部分断面図である。 本発明のセルの断面図である。 ２つの縁部にコーティングされ、次いで部分的に組み立てられたセルに挿入する前に、互いに直角に位置付けられる長方形のセパレータのストリップの図である。 ２つの縁部にコーティングされたセパレータのストリップの図である。 図１０Ａに示すセパレータから作られたコイル状に巻かれた管体の図である。 本発明のセルを組み立てるための第１工程のフロー図である。 本発明のセルを組み立てるための第２工程のフロー図である。 本発明のセルを組み立てるための第３工程のフロー図である。

符号の説明

１０ 容器
５０ 第１電極
２０ セパレータ
５６ 内面
６０ 第２電極
７０ 閉鎖組立体
１２ 開口端部
１４ 閉鎖端部
１６ 側壁
５２ 桟部

Claims (45)

1. （ａ）開口端部と、閉鎖端部と、側壁とを有する容器と、
   （ｂ）前記容器内に配置された、内面を有するキャビティを定める第１電極と、
   （ｃ）前記容器内に配置され、前記第１電極に接触する電解質と、
   （ｄ）前記第１電極によって定められる前記キャビティの内面にライニングを形成し、前記第１電極を越えて前記容器の開口端部に向かって延びる自立構造の強化縁部を含むセパレータと、
   を備える電気化学セルであって、
   前記強化縁部は、前記セパレータが前記電解質を吸収した後に前記セパレータの自立構造の強化縁部に対する構造的支持を与える強化材料であって、前記電極の界面面積の２０パーセント未満を覆う強化材料を含み、
   前記電気化学セルが更に、
   （ｅ）前記セパレータで覆われたキャビティ内に配置され、前記セパレータによって前記第１電極との間に界面が形成される第２電極と、
   （ｆ）前記容器の開口端部に固定される閉鎖組立体と、
   を備える電気化学セル。
2. 前記閉鎖組立体は、薄型の閉鎖部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
3. 前記セパレータは、前記電極の境界面を越え、且つ前記閉鎖組立体の下に配置された第１領域と、前記第１及び第２電極間に配置された第２領域とを含み、前記第１領域は強化材料を含み、前記第２領域は前記第１領域に組み込まれた強化材料を含まないことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
4. 前記強化縁部が、前記容器の側壁に実質的に平行していることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
5. 前記第２電極は、水酸化カリウムの水溶液を含む脆いゲルであることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
6. 前記強化縁部は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、パラフィン、メチル・セルロース、及びキトサンからなるグループから選択される材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
7. 前記セパレータは、第１表面と、該第１表面と前記セパレータの反対側に位置する第２表面と、外周とを有する不織繊維の可撓性多孔質フィルムを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
8. 前記材料は、前記強化縁部で前記繊維をコーティングすることにより前記繊維のコーティングされた部分によって前記電解質の吸収を防止することを特徴とする請求項７に記載の電気化学セル。
9. 前記材料は、前記セパレータの第１表面から前記セパレータの第２表面へ前記セパレータの細孔を通って浸透することを特徴とする請求項７に記載の電気化学セル。
10. 前記セパレータの両表面の一方だけが前記材料で部分的にコーティングされることを特徴とする請求項７に記載の電気化学セル。
11. 前記セパレータの表面の両方が前記材料で部分的にコーティングされることを特徴とする請求項７に記載の電気化学セル。
12. 前記セパレータは、前記セパレータをコイル状に巻くことによって形成される、開口端部を有する管体であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
13. 前記管状形のセパレータは、一方端が閉鎖されることを特徴とする請求項１２に記載の電気化学セル。
14. 前記強化材料は、前記電極の界面面積の５パーセント未満を覆うことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
15. 前記強化材料は、前記電極の界面面積の１パーセント未満を覆うことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
16. 前記強化縁部は、強化材料の連続するコーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
17. 前記強化縁部は、強化材料の不連続コーティングを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
18. 前記不連続コーティングは、強化材料のストリップを含むことを特徴とする請求項１７に記載の電気化学セル。
19. 前記セパレータは、中央領域と２つの互いに平行な縁部とを有する第１の長方形のセパレータ材料のストリップを含み、前記互いに平行な縁部の両方が強化材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気化学セル。
20. 前記ストリップの中央領域は、前記容器の閉鎖端部と並べて置かれ、前記セパレータの前記縁部は、前記第１電極を越えて前記閉鎖組立体へ向かって延びることを特徴とする請求項１９に記載の電気化学セル。
21. 中央領域と２つの互いに平行な縁部とを有する第２の長方形のセパレータ材料のストリップを更に含み、前記両縁部は強化材料を含み、前記第２ストリップの中央領域が前記第１ストリップの中央領域と並べて置かれ、前記第２ストリップの縁部が前記第１電極を越えて前記閉鎖組立体へ向かって延びることを特徴とする請求項２０に記載の電気化学セル。
22. 前記セパレータは、互いに中央領域で直交するように配置されることによって閉鎖端部と開口端部とを有する管体を形成するように構成される２つの細長い長方形ストリップを含むことを特徴とする請求項２１に記載の電気化学セル。
23. 前記第１ストリップは、コイル状に巻かれて、一方端にある強化開口部と、他方端にある強化封止底部とを含む管体を形成することを特徴とする請求項１９に記載の電気化学セル。
24. （ａ）開口端部と、閉鎖端部と、側壁とを有する管状形容器と、
    （ｂ）前記容器内に配置された、前記容器の側壁と同心であって内面を有する円形キャビティを定める第１電極と、
    （ｃ）前記容器内に配置されて前記第１電極に接触する、水酸化カリウムの水溶液を含む電解質と、
    （ｄ）前記第１電極によって定められる前記キャビティの内面にライニングを形成し、前記第１電極を越えて前記容器の開口端部に向かって延びる自立構造の強化縁部を含むセパレータと、
    を備える電気化学セルであって、
    前記強化縁部が前記電極の界面面積の２０パーセント未満を覆う強化材料を含み、前記セパレータによる前記電解質の吸収後に前記容器の側壁に対して平行を維持し、
    前記電気化学セルが更に、
    （ｅ）前記セパレータで覆われたキャビティ内に配置され、且つゲル中に浮遊する亜鉛粒子を含む、前記セパレータによって前記第１電極との間に界面が形成される脆い第２電極と、
    （ｆ）前記容器の該開口端部に固定される、前記容器の該開口端部を覆ってこれを封止する閉鎖部材を含む閉鎖組立体と、
    を備える電気化学セル。
25. （ａ）セパレータのストリップを準備する段階と、
    （ｂ）前記セパレータストリップの少なくとも１つの縁部を強化材料で電極の界面面積の２０パーセント未満を覆うようにコーティングする段階と、
    （ｃ）前記コーティングされたストリップをコイル状に巻いて、コーティングされていない部分と一方の端部に開口部を定めるコーティングされた強化縁部とを含む管体を形成する段階と、
    （ｄ）開口端部を有し、キャビティを定める第１電極を含む容器を準備する段階と、
    （ｅ）前記コーティングされていない部分が前記第１電極に接触し、且つ前記管体のコーティングされた縁部が前記第１電極を越えて前記容器の開口端部に向かって延びるように、前記コイル状に巻かれた管体を前記第１電極によって定められるキャビティに挿入する段階と、
    （ｆ）前記コイル状に巻かれたセパレータによって定められる前記管体に第２電極を挿入する段階と、
    （ｇ）前記容器の開口端部に閉鎖組立体を固定することによって前記容器を閉鎖する段階と、
    を含む電気化学セルを製造する方法。
26. 前記強化材料は、前記容器の強化縁部に構造的支持を与えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記第２電極は、脆いゲルを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
28. 前記脆いゲルは、亜鉛粒子と水溶性電解質を含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記コイル状に巻かれた管体内にある量の電解質を供給する段階を更に含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
30. 前記セパレータは、不織繊維を含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
31. 前記管体は、２層又はそれ以上のセパレータを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
32. 前記セパレータストリップの２つの縁部は、前記強化材料でコーティングされることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
33. 前記コーティングされた縁部は、互いに平行であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
34. （ａ）セパレータのストリップを準備する段階と、
    （ｂ）前記ストリップをコイル状に巻いて少なくとも１つの開口端部を有する管体を形成する段階と、
    （ｃ）前記管体の開口端部を電極の界面面積の２０パーセント未満を覆うように強化材料でコーティングする段階と、
    （ｄ）開口端部と、閉鎖端部と、そこでキャビティを定める第１電極とを有する容器を準備する段階と、
    （ｅ）前記管体の開口端部が前記容器の開口端部に極めて近接し、且つ前記管体の反対側の端部が前記容器の閉鎖された端部に近接するように、前記コイル状に巻かれた管体を前記第１電極によって定められる前記キャビティに挿入する段階と、
    （ｆ）前記コイル状に巻かれたセパレータによって定められる前記管体に第２電極を挿入する段階と、
    （ｇ）前記容器の開口端部に閉鎖組立体を固定することによって前記容器を閉鎖する段階と、
    を含む電気化学セルを製造する方法。
35. 前記管体の開口端部は、該管体の部分を強化材料中へ浸漬することによってコーティングされることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
36. 前記管体の開口端部は、該管体の部分を強化材料でスプレーすることによってコーティングされることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
37. 前記第１電極によって定められる前記キャビティに電解質を供給する段階を更に含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
38. 前記第２電極は、脆いゲルを含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
39. 前記脆いゲルは、亜鉛粒子と水溶性電解質とを含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
40. 前記セパレータは、不織繊維を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
41. 前記管体は、２層又はそれ以上のセパレータを含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
42. （ａ）開口端部と、閉鎖端部と、内部に配置されてキャビティを定める第１電極とを有する容器を準備する段階と、
    （ｂ）強化材料で電極の界面面積の２０パーセント未満を覆うようにコーティングされた２つの相対する縁部を有するセパレータの第１の長方形のストリップを準備する段階と、
    （ｃ）前記セパレータのコーティングされていない部分が前記キャビティの内側を覆い、且つ前記コーティングされた縁部が前記第１電極を越えて前記容器の開口端部に向かって延びる前記第１電極によって定められる前記キャビティに前記コーティングされたセパレータのストリップを挿入する段階と、
    （ｄ）前記セパレータで内側が覆われた前記キャビティに第２電極を挿入する段階と、 （ｅ）前記容器の開口端部に前記閉鎖組立体を固定することによって前記容器を閉鎖する段階と、
    を含む電気化学セルを製造する方法。
43. 前記コーティングされた縁部は、互いに重なり合うことによって、前記第１電極と前記容器の開口端部間にコーティングされたセパレータ材料の連続するリングを形成することを特徴とする請求項４２に記載の方法。
44. （ｆ）２つの相対する縁部を有する第２の長方形のセパレータのストリップを準備する段階と、
    （ｇ）前記第２電極を挿入する段階の前に、前記第２の長方形のセパレータのストリップを前記第１のセパレータによって内側が覆われた前記キャビティに挿入する段階と、
    を更に含み、
    前記第２セパレータは、前記セパレータの第１ストリップに対して直角に位置付けられ、且つ前記相対する縁部は、前記第１電極を越えて前記容器の開口端部に向かって延びることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
45. 前記セパレータの第２ストリップの２つの相対する縁部は、強化材料でコーティングされることを特徴とする請求項４４に記載の方法。

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