ニッケル亜鉛電池の製造方法
【解決手段】充電式パワーセルの製造方法が開示される。方法は、パワーセルの性能に悪影響を及ぼしうる粒子の凝集を阻止する分散剤を含む低毒性のスラリ状またはペースト状の負極材料を用意する工程を備える。方法は、半透性シートを使用することによって電極を隔てると共に樹枝状結晶の形成を最小限に抑える工程と、更に、電極に固有の電解質を用意することによって高効率の電気化学を実現すると共にセル内における樹枝状結晶の成長を更に妨げる工程とを備える。負極材料は、亜鉛および亜鉛化合物から構成可能である。亜鉛および亜鉛化合物は、ニッカド電池に使用されるカドミウムと比べて著しく低毒性である。開示される方法は、既存のニッカド製造ラインに使用される製造技術のいくつかを使用可能である。したがって、開示される方法は、既に明確で且つ成熟している製造基盤を新たな用法で用いるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電式電池の分野に関するものである。本発明は、より具体的には、充電式ニッケル亜鉛電池セルの製造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々なモバイル接続性を可能にする携帯型の通信機器および計算機器の登場は、充電式電池の分野における発展および革新を激化させた。容量および出力の増大は、充電式電源を、パワーツール市場を含む様々な分野に投入することを可能にした。パワーツールは、一般に、大電流を必要とするので、充電式電源は、必然的に、急速な放電特性に対応できる方向に発展してきた。本発明は、例えば無停電電源（ＵＰＳ）、電気自動車、および高需要家電など、いずれも高い通電容量および強い電流放電能力を必要とする、パワーツール以外の他の用途に用いることもできる。また、本発明は、当然ながら、例えば多くの主流な消費家電など、低めの放電率の用途に適用することもできる。
【０００３】
充電式電源は、非充電式電源と比べて多くのメリットを有する。例えば、非充電式電源の使用は、有害廃棄物の処理および浄化に関わる環境問題を深刻化させる。携帯型機器の急増を踏まえると、これらの携帯型機器に必要とされる非充電式電源の数は、驚異的な数字にのぼると考えられる。充電式電源は、電池セルの繰り返し使用を可能にするので、環境への有害廃棄物の投棄を低減させることができる。更に、充電式電源は、非充電式電源として消費されるはずだった金属資源および化学資源を節約することができる。充電式電源の使用は、最終的には、人口の増加に対処するために必要とされる継続的な節約努力を奨励し、その規模を拡大することができる。
【０００４】
充電式電源のメリットは多くあるものの、全く代償がないわけではない。具体的に言うと、充電式電源を構成する材料は、しばしば、環境に対して深刻な潜在的脅威を及ぼす。北東部リサイクル連合（ＮＥＲＣ）などの地域規模のリサイクル機関は、充電式電源の廃棄の問題に積極的に取り組んでいる。ＮＥＲＣの最近の報告によると、１０加盟国のうち９加盟国が鉛酸電池の廃棄を禁止しており、１０加盟国のうち６加盟国がニッケルカドミウム電池の廃棄を禁止しており、１０加盟国のうち４加盟国が酸化水銀電池の廃棄を禁止している（http://www.nerc.org/documents/recyclingrules0901.html）。また、ＥＰＡも、ニッカド電池の廃棄に対する業界全体の認識を近ごろ検討した結果、次のように述べている。
「コードレス電話、パワーツール、およびラップトップ型コンピュータなどの産業用器具および家庭用器具によく用いられるニッカド電池は、誤って廃棄された場合に潜在的環境リスクを生じうる製品の１つである。ニッカド電池は、最も強力な毒性成分であるニッケルおよびカドミウムの両方を含むので、正しく廃棄されなかった場合に健康問題を引き起こす可能性がある。これらは、いずれも重金属であるので、リサイクルおよび廃棄の際に、環境に対して悪影響を及ぼす可能性もある。（http://www.epa.nsw.gov.au/media/0403/eprbatteries.html）」
【０００５】
従来の充電式電源に良く使用されている一部の材料の有害性を考慮すると、有害でありうるあらゆる材料の量を低減させた充電式電源を製造することが望まれている。具体的に言うと、広く一般に使用されているニッケルカドミウム電池セルに代わる電池セルを見いだすことが望まれている。
【０００６】
充電式ニッケル亜鉛セルは、ニッケルカドミウムセルに匹敵する、ひいてはニッケルカドミウムセルを上回る出力対重量比を手頃なコストで実現可能であることが知られている。しかしながら、ニッケル亜鉛電池技術は、少なくとも２つの理由ゆえに、広く一般に採用されてこなかった。第１の理由は、サイクル寿命が比較的限られることである。言い換えると、ニッケル亜鉛セルは、匹敵するニッケルカドミウムセルによって通常に実現されるサイクル数の何分の１程度の充放電しか行うことができない。これは、亜鉛の分散および樹枝状結晶の形成に起因する。第２の理由は、ニッケル亜鉛電池に適した大量生産プロセスが見いだされなかったことである。
【０００７】
したがって、全く新しい製造基盤を必要とするのではなく、既存の製造技術をうまく活用するべく既存の製造技術を可能な限り使用することによって、環境に対して安全性の高い充電式電源を製造することが望まれている。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、ニッケルカドミウムタイプのセルを製造するためのプロセスを、重大な相違と共に使用することによって、前述のメリットを実現するものである。重大な相違とは、カドミニウム負極を、例えば、亜鉛、または酸化亜鉛もしくは亜鉛酸カルシウムなどの亜鉛化合物から作成された電極など、より有害性の低い負極に置き換えることを可能にする相違である。本明細書には、カドミニウムフリーのパワーセルを製造する各種の方法が記載されている。これらの方法は、ニッケル電極および亜鉛電極を製造するための大量生産ラインを使用して実施される。製造工程の一環として、キャリアシートは、スラリ状またはペースト状の負極材料および正極材料を連続的にコーティングされる。
【０００９】
正極材料は、ニッケル亜鉛電池システムに対応させるための重大な最適化をいくらか経るものの、基本的には、従来のニッケルカドミウム電池のニッケル電極の製造に使用される材料と同様の組成を有することが好ましい。負極は、電気化学的活物質として、酸化亜鉛を使用することが好ましい。負極は、実施形態によっては、酸化ビスマスおよび／または酸化アルミニウムなどのその他の材料を含む場合もある。負極用のキャリア（集電体として機能する）は、負極材料に対して電気化学的に適合可能であることが望ましい。例えば亜鉛電極の場合は、キャリア材料は、パンチシートまたはエキスパンデッドメタルの形態をとる銅または銅合金であることが好ましい。
【００１０】
粒子の凝集は、ニッケル亜鉛セルの性能に悪影響を及ぼすことが知られているので、一実施形態において、負極材料は、酸化亜鉛粒子の凝集を最小限に抑えるための分散剤を含有している。更なる実施形態において、方法は、電極を隔てると同時に亜鉛の樹枝状結晶の形成を最小限に抑えるセパレータ材料で形成された複数枚（例えば４枚）のシートを使用している。適したセパレータ材料としては、例えば、ナイロンシートおよび微多孔性ポリオレフィンシートなどが挙げられる。更に、本発明の製造方法は、亜鉛電極内における樹枝状結晶の成長を妨げる高導電性の電解質を活用することが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法は、他タイプのセル用に確保されていたこれまでの製造技術を使用するにもかかわらず、亜鉛負極を有するセルを製造することができる、という点で重要である。具体的に言うと、既存のニッケルカドミウム用の製造ラインを、本明細書で説明される方法に適応させるための軽微な変更を加えるだけで、そのまま使用することが可能である。例えば、本発明の製造方法は、正極および負極の集電体シートにペースト状またはスラリ状の正極材料および負極材料をコーティングする工程と、作成過程にあるこれらの電極シートを乾燥させ圧縮する工程と、これらのシートをカットして洗浄する工程と、カットされた電極シートおよびそれらの間に挟まれた微多孔性セパレータシートをもとに「ジェリーロール状」セルアセンブリを形成する工程とを備える。本明細書で説明されるこれらの方法は、既に明確で且つ成熟している製造基盤を新たな用法で用いるものである。
【００１２】
また、最後に、従来の製造方法の場合と比べて端子を逆転させて、セルの極性を逆転させることによって、充電式パワーセルの効率を向上させる方法も開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、添付の図面に併せた以下の説明を参照することによって、より完全に理解することができる。
【００１４】
なお、図中において、類似の参照符号は、類似の構成要素を表すものとする。また、図中の描写は、必ずしも一定の比例に基づくとは限らない。
【００１５】
本発明は、概して、広く一般に認められている充電式ニッケルカドミウムパワーセル用の生産技術に類似した技術を使用して充電式ニッケル亜鉛電池セルを製造する技術に関するものである。
【００１６】
以下では、図１〜４ｂを参照にしながら本発明の実施形態の説明を行う。しかしながら、当業者ならば容易に理解できるように、本発明の範囲は、これらの限られた実施形態の範囲内に留まらないので、これらの図面を参照にした詳細な説明は、説明を目的としたものである。
【００１７】
先ず、図１が参照される。図１は、本発明の一実施形態による製造プロセスの流れを図表示したものである。プロセスは、初め、負極シートを製造するための経路および正極シートを製造するための経路の２つの別々の経路を含む。説明されるこのプロセスにおいて、これらの２つの経路は、負極と正極とを組み合わせて単一のセルを形成する時点で最終的に合流する。これらの２つの経路のプロセス工程は、単一の設備内で並行して実施されるので、これらの電極は、立て続けにシートの形態に仕上げられた後、引き続き、本発明にしたがったニッケル亜鉛電池セルの形成プロセスで組み合わせることができる。
【００１８】
ブロック１０１，１２１は、正極および負極の出発材料の例を示している。これらのブロックに表されるように、この製造プロセスは、先ず初めに、電極の形成に必須とされる出発材料を用意することから開始しなければならない。このプロセスは、電極の形成のための原材料だけでなく、組み立てられたセル内において正極と負極とを隔てる働きをするセパレータシート、電解質、電極ペーストまたは電極スラリを形成するための水、セルパッケージング用の材料（例：ディスク端子およびセル缶など）はもちろん、（組み立てられたセル内において最終的に集電体として機能する導電性材料で構成された）電極キャリアシートも必要とする。
【００１９】
先ず、負極について考える。製造プロセスは、負極の形成に必要とされる負極材料（１０１）を用意することから開始する。図１に示された代表的な実施形態において、負極材料（１０１）は、ＺｎＯ、ＢｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＨＥＣ、および分散剤を含む。実施形態次第では、酸化インジウムが含まれる場合もある。そのほかにも、例えば亜鉛酸カルシウムまたはその前駆体（例：酸化カルシウムおよび酸化亜鉛）などの他の形態の亜鉛を使用したものを始めとする各種のその他の成分も可能である。その他の電極成分としては、無機フッ素、アルミナシリカ繊維などの無機繊維、およびコットンフロックなどの有機繊維が挙げられる。
【００２０】
前述のように、本発明は、概して、ニッケル亜鉛電池の製造方法に関するものである。このように、負極材料は、より広く一般に使用されているカドミウム化合物と比べて大幅に毒性の少ない亜鉛および亜鉛化合物をベースにしている。ＥＰＡは、亜鉛および亜鉛化合物を、発癌可能性についての証拠が不十分であるグループＤに分類している（Ｕ．Ｓ．ＥＰＡ、１９９５ａ）。更に、国際癌研究機関（ＩＡＲＣ）は、亜鉛を、発癌可能性のあるものとして分類していない（ＩＡＲＣ、１９８７ａ）。これに対して、疫学的証拠は、カドミウム暴露と、気道癌および腎臓癌を含む腫瘍形成との関連性を、強く支持している（ＡＲＢ、１９８６ｃ）。更に、ＥＰＡは、肺癌の増大を示した人体研究および動物実験に基づいて、カドミウムを、予想されるヒト発癌性物質の候補であるグループＢ１に分類している（Ｕ．Ｓ．ＥＰＡ、１９９４ａ）。更に、ＩＡＲＣは、人体における発癌性の疫学的証拠および動物で観察された発癌効果に基づいて、カドミウムおよびカドミウム化合物を、ヒト発癌性物質であるグループ１に分類している（ＩＡＲＣ、１９９３ｂ）。
【００２１】
前述のように、酸化亜鉛は、負極に用いるのに適した電気化学的活物質である。その他の亜鉛化合物も、同様に使用可能である。具体的に言うと、別の一実施形態では、出発材料として、ＺｎＯの代わりに亜鉛酸カルシウム（ＣａＺｎ（ＯＨ）4）が使用可能である。亜鉛酸カルシウムの生成は、有害な影響を及ぼしうる発熱反応を伴う可能性がある。この反応は、強い脱水効果も呈するので、負極製造用のスラリまたはペーストの生成プロセス中に制御することは困難である。したがって、亜鉛酸カルシウムを使用する場合は、その少なくとも一部を実験室外で予め形成しておき、そのうえで、負極材料の混合物に追加することが望ましい。このように亜鉛酸カルシウムを使用する場合の基本的な手順は、発明者Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓによる２００２年３月１５日付けのＰＣＴ特許出願ＣＡ ０２／００３５２（国際公開ＷＯ ０２／０７５８２５）に記載されている。この文献は、引用によって本明細書に組み込まれるものとする。
【００２２】
高温「燃え尽き」処理は、得られる亜鉛電極の高率性能を高めることが知られている。通常のアプローチにおいて、酸化亜鉛は、（下層である銅製の集電体の酸化を制限するため）不活性雰囲気または真空のもとで、約０．５〜２時間に渡って約３００〜３８０℃（好ましくは約３２０℃）に過熱される。燃え尽き処理は、亜鉛電極の高率放電特性に悪影響を及ぼすと考えられる分散剤およびその他の有機材料を排除可能である。代替案として、または追加案として、燃え尽き処理は、高率放電特性を妨害する可能性がある炭酸塩も排除可能である。炭酸塩は、電解質から水酸化物を減損させること、および／または電解質の輸送能力を低下させることを通じて電解質の導電性を低下させると考えられる。あいにく、酸化亜鉛は、雰囲気内の二酸化炭素と容易に反応して炭酸亜鉛を形成する。したがって、雰囲気に曝された酸化亜鉛粒子の表面は、徐々に多量の炭酸塩を形成していく可能性がある。市販の酸化亜鉛源の多くは、炭酸塩をかなりの含有量で含んでいる。この問題を緩和するためには、電極の製造に先だって、酸化亜鉛を過熱して、二酸化炭素を追い出しておくことが望ましい。好ましい一実施形態では、負極の製造に使用される酸化亜鉛中の炭酸塩の含有量は、約１重量パーセント以下である。
【００２３】
負極スラリまたは負極ペーストは、酸化亜鉛または電気化学的に活性であるその他の亜鉛源に加えて、電極内で例えばイオン輸送、電子輸送、湿潤特性、多孔度、構造的完全性、および活物質の溶解度などの特定のプロセスを促進するその他の材料を含むことも可能である。その他の添加物は、プロセスの流れの一貫性、およびスラリまたはペーストそれ自体のその他のプロセス関連特性を制御している。具体的な一実施形態では、負極スラリは、酸化ビスマス、酸化アルミニウム、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、および分散剤を含む。
【００２４】
ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）は、スラリ状またはペースト状の負極材料の一貫性を制御するために使用可能である。ＨＥＣは、濃化、懸濁、結合、乳化、成膜、安定化、分散、保水、および保護コロイド作用の提供を可能にする非イオン性の水溶性ポリマである。ＨＥＣは、温水または冷水に容易に溶解するので、広範囲に及ぶ様々な粘度の溶液を調製するために使用することができる。また、ＨＥＣは、溶解電解質に対して卓越した耐性を有する。したがって、本発明では、（ペースト状の）負極材料に保水性を持たせるために、ＨＥＣまたはそれに関連した特性を有するその他の材料が使用される。
【００２５】
負極スラリを形成する一アプローチでは、２種類の混合物が別々に生成され、それら２種類の混合物は、混合を経てスラリを形成する。第１の混合物は、水およびＨＥＣ（またはその他の適切な材料）を含み、第２の混合物は、水および予めふるい分けされた固体（例：ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、および分散剤）を含む。
【００２６】
その他の負極組成については、引用によって本明細書に組み込まれた文献：国際公開ＷＯ ０２／３９５１７（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）、国際公開ＷＯ ０２／０３９５２０（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）、国際公開ＷＯ ０２／３９５２１、国際公開ＷＯ ０２／０３９５３４（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）、および２００２年３月１５日付けの米国特許出願１０／０９８，１９５に記載されている。これらの参考文献に記載された負極の添加物は、シリカ、並びに各種のアルカリ土類金属、繊維金属、重金属、および貴金属のフッ化物などである。
【００２７】
前述のように、製造プロセスは、炭酸塩の含有量が小さい酸化亜鉛を使用することが好ましい。あいにく、炭酸塩の含有量が小さい酸化亜鉛は、炭酸塩の含有量が普通に大きい酸化物と比べて遙かに凝集しやすく、容易に懸濁状態になることが知られている。このように、酸化亜鉛は、凝集粒子を形成しやすいので、これは、各成分をよく混ぜ合わされ且つ各成分を均一に分散された負極の製造を困難にする。この問題に対処するため、本発明は、分散剤を使用することによって、炭酸塩の含有量が小さい酸化亜鉛粒子の凝集を最小限に抑えている。概して、分散剤は、粒子の表面特性に変更を施すことによって、スラリまたはその他の懸濁液内における分散を助長する。分散剤の多くは、分散させるべき特定の粒子の表面特性に合わせて調整された従来の表面活性剤またはそれらの変形物である。塗料業界では、酸化亜鉛が広く一般に使用されているので、これまでに、酸化物用の様々な分散剤が開発されてきた。このような分散剤の１つは、日本国京都府所在のサンノプコ株式会社よりＮＯＰＣＯＳＰＥＲＳＥ ４４として市販されている。この分散剤は、十分な量で用いられた場合に、酸化亜鉛粒子の表面をコーティングして、それによって、本発明の製造プロセス中における酸化亜鉛粒子の凝集を排除することが知られている。
【００２８】
図１に示されるように、負極材料（１０１）は、上述のように混ぜ合わされ、水性スラリ（１０３）を形成した後、スラリコート（１０５）として導電性キャリアシート（１５１）上に連続供給される。なお、当業者ならば明らかなように、この材料は、ペースト状に形成することもでき、その場合は、正極形成のための工程１２５にあるように、ペーストヘッドを介して連続供給することができる。例えば一具体例では、ペーストヘッドは、負極ペーストの混合物を約３ｐｓｉの圧力でキャリアシートの片面に供給する。スラリ状のコーティングが使用される場合は、従来のスラリコーティング装置が使用可能である。このような装置では、キャリアシートを内部で順次移動させていくチャンバ内に、スラリが連続供給される。
【００２９】
ここで、従来の亜鉛電極は、負極のキャリア上にペーストまたはスラリを引き込む真空技術を用いて形成される点に留意せよ。活物質として亜鉛酸カルシウムが使用される場合などは、石油系添加物の使用を通じてテフロン（登録商標）のフィブリル化が促進される。これは、キャリア上にプレス形成される電極シートの製造を容易にする。
【００３０】
なお、正極の形成には、ニッケル、ニッケルをメッキされた鋼、および銀などを非限定的に含む複数のキャリア材料のうちの任意の材料を使用可能である。当業者ならば理解できるように、キャリアシートは、完成されたニッケル亜鉛セル内で負極用の集電体として機能する。銅の有する低抵抗性、比較的安価である点、亜鉛電極との電気化学的適応性などを考慮すると、キャリアシートとして特に好ましい材料は、銅および銅合金である。ここで、ニッケルをメッキされた鋼は、市販のニッケルカドミウムセルのカドミニウム電極用のキャリアとして選り抜きの選択肢である点に留意せよ。
【００３１】
キャリアシートは、パンチメタルシート、エキスパンデッドメタル、および発泡メタルを含む様々な構造形態で用意することができる。特定の構造形態を選択する際の基準としては、コスト、コーティングのしやすさ、および集電体と電気化学的活性電極材料との間で電子輸送を促進する能力が挙げられる。好ましい一実施形態では、キャリアの厚さは、パンチシートの場合は約２〜５ミルであるのに対して、エキスパンデッドメタルの場合は約２〜２０ミルである。また、発泡メタル基板の場合は、１５〜６０ミルの厚さである。
【００３２】
コーティングを施された負極は、次いで、電極材料の供給媒体として使用された過剰な水を駆逐する目的で乾燥される（１０７）。この目的には、空気または窒素の流れを利用した熱乾燥器を使用可能である。
【００３３】
こうして得られた負極は、次いで、ローラまたはその他の適切な圧縮機構を使用して圧縮される（１０９）。当業者ならば理解できるように、圧縮は、電極の厚さを均一にするので、製造公差を維持することができる。圧縮は、また、負極の多孔度を所望のレベルにする。多孔度は、電解質と電極との間におけるイオンの輸送特性を制御する。多孔度は、負極の活性表面積を、ひいては負極の電流密度も決定する。一代表例では、圧縮後の負極の厚さは約１０〜４０ミル（例えば約２０ミル）であり、多孔度は約４０〜６５％である。
【００３４】
適度に圧縮された電極シートは、工程１１１において、カット処理およびクリーン処理を施される。ここで、キャリアシートは、通常は、単位電池セルに必要とされる幅を大幅に上回る例えば約１ヤードなどの幅を有する点に留意せよ。したがって、負極は、最終製品に固有の公差に適合した幅（例えばサブＣサイズの電池セルの場合はおよそ１．２５インチ）にカットされる。カットされた負極は、更なる組み立てに先だって、その一部を「クリーン処理」可能である。具体的に言うと、負極の沿層方向に沿って、負極材料の細片が除去される。クリーン処理による細片除去は、下層にある集電体金属を露出させることによって、更なる工程２０３で行われる負極集電体に対する端子の取り付けを容易にする。クリーン処理は、はんだ付け、スポット溶接、または当該分野で知られる任意のその他の導電接合に特に適した表面を処理後に残すことができる。しかしながら、端子の取り付けは、その他の方法によっても実現可能である。当業者ならば理解できるように、電極のクリーン処理は、剥離、研磨、研削、洗浄、および拭き取りを非限定的に含む任意の方法によって実現可能である。粒状物質を排除するため、これは、通常は真空掃除と組み合わせて実施される。
【００３５】
正極も、負極について上述された方法と同様に形成可能である。先ず、第１の工程１２１において、正極を形成するための正極材料が用意される。図１に示される一実施形態では、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）2）と、酸化亜鉛と、酸化コバルト（ＣｏＯ）と、ニッケル金属と、コバルト金属（随意）と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などのフロー制御剤とを含有する正極材料（１２１）が用意される。好ましい一実施形態において、酸化亜鉛および酸化コバルトの少なくとも一部は、水酸化ニッケルとの化学混合物の形で用意されるので、この場合の個々の粒子は、水酸化ニッケル、酸化亜鉛、および酸化コバルトを含有している。このような予混合材料は、個々の成分の共沈によって調製可能であり、インターナショナルニッケル社およびタナカ社などの良く知られたメーカより市販されているものを使用可能である。これらの材料は、不溶性のニッケル格子内に酸化物を閉じ込めることによって、溶脱を阻止する。共沈は、また、正極材料内に導電通路を形成することによって、電荷移動の効率を目に見えて助長する。好ましい一実施形態において、共沈材料内に存在する酸化亜鉛および酸化コバルトの濃度は、亜鉛にして約２〜３重量パーセントであり、酸化コバルトにして約２〜６重量パーセントである。更に、正極材料は、化学的に純なコバルト金属およびニッケル金属を追加で含有可能である。
【００３６】
正極にコバルト金属が用いられる場合は、コバルト金属は、約１〜１０重量パーセントの濃度で存在することが好ましい。この濃度範囲は、広範囲に及ぶ各種の放電率（例：亜鉛電極の表面積に対して約０．００１〜０．４アンペア／ｃｍ2）に適している。代表的な高率用途（例：亜鉛電極の表面積に対して約０．０１〜０．４アンペア／ｃｍ2で放電が行われる場合）において、正極内のコバルト金属の濃度は、約４〜１０重量パーセントである。これに対して、代表的な低率用途では、コバルト金属は、約１〜５重量パーセントの濃度を有しており、このとき、放電は、亜鉛電極の表面積に対して約０．００１〜０．０１アンペア／ｃｍ2で行われる。
【００３７】
別の実施形態では、導電率を高めるために、工程１２１の材料に酸化コバルトを追加可能である。しかしながら、出発材料は、概して、追加の酸化コバルトを全く含まない、または少量のみ含むことが好ましい。ここで、市販のニッケルカドミウムセルの場合は、正極混合物中に遊離酸化コバルトを通常に使用している点に留意せよ。
【００３８】
一アプローチでは、別々の２種類の混合物から正極ペーストが形成される。つまり、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）および水を含む混合物と、水、水酸化ニッケル−酸化コバルト−酸化亜鉛の共沈物、ニッケル金属、および比較的純な酸化コバルトを含む別の混合物とから正極ペーストが形成される。これら２種類の混合物は、混合を経て正極ペーストを形成する。ここで、ＣＭＣは、工程１２３で得られるペーストの流量特性を高める目的で含有されている点に留意せよ。
【００３９】
引用によって本明細書に組み込まれた国際公開ＷＯ ０２／０３９５３４（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）（Ｎｉ（ＯＨ）2と、ＣｏＯと、微粉化されたコバルト金属との共沈物）、並びに２００２年３月１５日付けの米国特許出願１０／０９８，１９４（フッ化物添加物）に、いくつかの正極組成が記載されている。
【００４０】
ブロック１２５において、ペーストは、ペーストヘッドを介して正極キャリアシート上に連続供給される。なお、負極の形成に使用されるキャリア金属は、例えば、低コストであること、高伝導率であること、正極に対して電気化学的に適合可能であること、および電気化学的活物質に対する接触性に優れていることなどの、適切な設計基準を満たしさえすれば、任意の金属であることが可能である。非限定的な例として、ニッケル、およびニッケルをメッキされたステンレス鋼などが挙げられる。キャリア金属は、パンチメタル、エキスパンデッドメタル、焼結メタル、発泡メタル、および金属をコーティングされたポリマ材料を含む各種の構造形態の１つをとることができる。好ましい一実施形態において、キャリアは、例えば、ニッケルを電解析出された発泡ウレタンを熱分解することによって形成されるニッケルの発泡メタルである。厚さを均一に保つ目的でプリプレスされた発泡正極キャリアは、例えば、約１５〜６０ミルの厚さを有する。
【００４１】
正極材料をコーティングされたキャリアシートは、次いで、過剰の水を駆逐する目的で乾燥され（１２７）、更に、圧縮される（１２９）。これらのプロセス工程は、負極について説明された工程１０７，１０９と同様にして実施可能である。当業者ならば理解できるように、また、負極について上述されたように、圧縮は、電極の厚さおよび多孔度を負極製造ルートについて上述された望ましい均一のレベルにする。得られた正極シートは、好ましくは、約１５〜４０ミル（例：約２５ミル）の厚さと、約３０〜４５％の多孔度とを有する。
【００４２】
正極は、続く工程１３１において、タブ付け処理およびスリット処理を施される。電極を一定の幅にスリットするプロセスは、タブ付けの前または後のいずれでも実施可能である。しかしながら、自動生産ラインの多くは、生産ライン内に設けられたタブ付けプロセス後に電極材料をスリットしている。コイン状の端部にタブ付けするプロセスは、ジェリーロール状の巻き上げ後に最終的に実施される集電体構成の溶接を容易にする。タブは、ニッケルまたはニッケルをメッキされた鋼で作成された帯状の片であり、電極の有するコイン状の未ペースト端にシーム溶接される、抵抗溶接される、または超音波溶接される。その結果、電極の沿層方向に沿って、帯状の固体片が形成され、これは、集電ディスクに対して電極を強固に接合することを容易にする。
【００４３】
セルとして完成されるシート積層構造を形成するため、２つの製造ルート（負極製造ルートおよび正極製造ルート）は、プロセスのこの時点で合流する。この合流の時点（図１では「Ａ」として表されている）では、複数の材料シートが接合され、巻き上げまたは組み立てを経てセル構造が形成される。一具体例では、４枚のセパレータ材料（ソース１１３，１３３として図示されている）と、正極シートと、負極シートとが交互に配される。したがって、電極は、製造された時点で、半透性のセパレータシート（１１３，１３３）の間に挟み込まれる。
【００４４】
一実施例において、正極用のセパレータ（１１３）は、セルガード社（ノースカロライナ州シャーロット所在）よりＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）セパレータシリーズとして、またはソルテック社よりＳＯＬＵＰＯＲＥ製品として市販されている、複数枚の微多孔性ポリオレフィンシートである。このセパレータは、電極と電解質との間におけるイオン交換を可能にする一方で、正極および負極を機械的に隔てる役割も果たす。したがって、電解質に対して優れた透過性を有することが望まれる。一実施例において、負極用のセパレータ（１３３）は、ナイロンシートである。当該分野で知られるその他のセパレータ材料も、使用可能である。したがって、前述のように、ナイロンをベースにした材料および微多孔性のポリオレフィン（例：ポリエチレンおよびポリプロピレン）が適している。
【００４５】
図３を参照せよ。図３は、巻き上げられる前の正極および負極の断面図である。図示された例では、セパレータ（３０１，３０５）は、電極シートと共に巻き装置３０９に引き込まれるまたは送り込まれる前に、先ず、電極（３０３，３０７）の平面に沿って電極（３０３，３０７）を覆う形で折り重ねられる。このアプローチでは、２種類のセパレータ源が使用される。別の一実施形態では、各電極シートは、それぞれ２種類の異なるセパレータ源のセパレータシートで挟まれるので、このときは、２種類ではなく４種類のセパレータ源が使用される。したがって、セパレータシートは、最初に電極の前縁部に折り重ねられることはない。しかしながら、最終的に得られる積層構造は同じである。すなわち、いずれのアプローチも、２枚のセパレータ層によって各電極層が隣り合う電極層から隔てられた構造を得る。これは、隣り合う電極層と電極層との間に１枚のセパレータ層のみを介在させたニッケルカドミウムセルの場合と異なる。このように追加された層は、亜鉛の樹枝状結晶の形成に起因して生じうるニッケル亜鉛セルの短絡を阻止するのに役立つ。
【００４６】
樹枝状結晶は、骨格状すなわち樹状の成長パターン（「樹枝状成長」）を有する金属堆積内結晶構造である。実際問題として、樹枝状結晶は、パワーセルの寿命中にパワーセルの導電媒質内で生じ、負極と正極とを効率良く橋絡することによって、短絡をひいては電池機能の損失を生じる。
【００４７】
ここで、セパレータシートは、一般に、電極シートの全幅を覆うものではない点に留意せよ。具体的に言うと、各電極シートの一端は、工程２０３で行われる端子の取り付けのため、露出されたままで残される。これらは、工程１１１，１３１で電極材料をきれいに落とされた側の一端である。更に、同様の理由で、電極は、クリーン処理された前述の帯状の一片の幅ぶんだけ外側にオフセットされる。これは、工程２０３で行われる端子の取り付けに適応させるために、一方の外側端は負の集電体のみを、もう一方の外側端は正の集電体のみを、それぞれ露出させたことを意味している。
【００４８】
巻き装置は、これらの各種のシートを一度に中に引き入れ、それらを丸めてジェリーロール状の構造に仕上げる。十分な厚さの円筒構造が形成されると、巻き装置は、セパレータ層および電極をカット処理して、セルアセンブリの完成品に仕上げる。
【００４９】
図２を参照せよ。図２は、図１のプロセスフローの続きを示している。図２のプロセスは、組み立て工程「Ａ」で得られたセルアセンブリ２０１からスタートする。セルが円筒状の場合は、このアセンブリは、ジェリーロール状の構造をとる。代わる別の一実施形態では、このアセンブリは、長方形のまたは角柱状の多層構造をとる。なお、当業者ならば理解できるように、セルアセンブリは、ユーザに依存した形状因子を有しており、当該分野で良く知られた任意の形態を取ることが可能である。角柱の形態が使用される場合は、組み立てに先だって、正極シートおよび負極シートをそれぞれのセパレータで予め包んでおくことが望ましいと考えられる。
【００５０】
電極層およびそれらの間に挟まれたセパレータ層の巻き上げ工程またはその他の組み立て工程が完了すると、負極および正極にそれぞれ内部端子を導電的に取り付ける工程が実施される（２０３）。より具体的に言うと、セルアセンブリの軸方向の一端では、露出された正の集電体に対して正端子が導電的に取り付けられ、セルアセンブリの軸方向のもう一端では、露出された負の集電体に対して負端子が導電的に取り付けられる。内部端子を取り付ける工程は、スポット溶接、超音波溶接、レーザ溶接、はんだ付け、並びに端子および集電体の材料に適したその他の任意の導電接合法など、当該分野で良く知られた任意の手法によって実現可能である。本発明の一実施形態では、内部端子は、孔もしくは溝を形成された、または形成されてないディスク構造である。別の一実施形態では、内部端子は、Ｈ字型構造である。内部端子は、その実際の構造がどうであれ、取り付け先である電極上にタブを設ける必要なしに、電極に対して導電的に取り付けることができる。
【００５１】
内部端子を取り付けられた後、セルアセンブリは、保持容器に挿入される（２０５）。セルアセンブリが円筒状の場合は、保持容器は例えば缶などである。缶またはその他の容器は、完成されたセルの外側ハウジングまたは外側ケーシングとして機能する。工程２０７では、缶にセルアセンブリを入れた状態で、端子ディスク（またはその他の内部端子）を、セルの缶と蓋またはその他の外部端子とに導電的に取り付けることができる。
【００５２】
外部端子は、動力デバイスのためのパワーセルに電気的にアクセスすることを可能にする。外部端子は、実施形態次第では、好ましくはニッケルメッキなどの非腐食性の金属でメッキされる場合もある。更に、外部端子は、電極を衝撃から隔てる働きをする。電子デバイスの携帯性を考慮すると、それ相応に大きな衝撃が見込まれる。したがって、外部端子を電極の集電体に直接的に取り付けると、溶接継手が重大な不具合を生じたり、電極が直接的な損傷を被ったりする可能性がある。
【００５３】
次の工程２０９では、適切な電解質が用意される。特に、本発明に関しては、電解質は、樹枝状結晶の形成と、亜鉛電極内におけるその他の形態の材料再分配とを制限する組成を有することが望ましい。このような電解質は、概して、当該分野において未発見である。しかしながら、１９９３年６月１日付けでＭ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇに対して発行され且つ引用によって本明細書に組み込まれた米国特許第５，２１５，８３６号に、この基準を満たす電解質の１つが開示されている。特に好ましい電解質は、（１）酸に対して化学量論的に過剰の２．５〜１１．０当量／リットルの水酸化物を生成する量の、アルカリ水酸化物またはアルカリ土類水酸化物と、（２）溶液全体に対して０．０１〜１．０当量／リットルの濃度範囲に対応する量の、可溶性のアルカリフッ化物またはアルカリ土類フッ化物と、（３）ホウ酸塩、砒酸塩、および／またはリン酸塩（好ましくはホウ酸カリウム、メタホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、および／またはメタホウ酸ナトリウム）とを含有している。具体的な一実施形態において、電解質は、４．５〜１０当量／リットルの水酸化カリウムと、２．０〜６．０当量／リットルのホウ酸またはメタホウ酸ナトリウムと、０．０１〜１．００当量／リットルのフッ化カリウムとを備える。現時点で高率用途に用いるのに好まれている電解質は、８当量／リットルの水酸化物と、４．５当量のホウ酸と、０．２当量のフッ化カリウムとを備える。
【００５４】
本発明は、Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇの特許で提示された電解質組成に限定されず、概して、対象用途ごとの特定の基準を満たす任意の電解質組成で十分である。高出力用途が望まれる場合は、電解質は、非常に優れた導電性を有することが望ましい。長サイクル寿命が望まれる場合は、電解質は、樹枝状結晶の形成に耐えうることが望ましい。したがって、本発明では、ホウ酸塩および／またはフッ化物を含有するＫＯＨ電解質を、適切なセパレータ層と併せて使用することによって、樹枝状結晶の形成を低減させ、ひいては、より強固で且つ長寿命のパワーセルを実現している。
【００５５】
具体的な一実施形態において、電解質組成は、約３〜５当量／リットルの過剰の水酸化物（例：ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ）を含有している。これは、負極が酸化亜鉛をベースにした電極であると想定した場合である。亜鉛酸カルシウムの負極に対しては、別の電解質成分が適している。例えば、亜鉛酸カルシウムに適した電解質の組成は、約１５〜２５重量パーセントのＫＯＨと、約０．５〜５．０重量パーセントのＬｉＯＨとである。
【００５６】
容器を電解質で満たすには、様々な技術を使用可能である。一実施例において、電解質は、注入口を介してセルに電解質を入れる注入プロセスを通じて導入される。その他の場合は、蓋を付ける前に電解質を加え、次いで、その流体を分配させるべくセルを回転させることができる。
【００５７】
缶またはその他の格納容器は、電解質で満たされた後、電極および電解質を周囲から隔てるべく密閉される。ブロック２１１を参照せよ。当業者ならば理解できるように、密閉の方法としては、圧接、溶接、プレス加工、および糊付けを非限定的に含む複数の密閉方法のうちの任意の方法を使用可能である。セルが円筒状である場合は、蓋は、缶上部の円周ビード上にあるガスケット上に座している。次いで、缶の上端は、密閉を実現するために、電気接触を生じることなく蓋に対して押し下げられる。
【００５８】
セルは、概して、周囲から密閉されているが、実施形態次第では、充放電中に生成されたガスを電池から抜くことを許容される場合もある。代表的なニッケルカドミウムセルは、約２００ＰＳＩの圧力でガス抜きを行う。ニッケル亜鉛セルは、実施形態次第では、ガス抜きを必要とすることなく上記の圧力およびそれ以上（例：３００ＰＳＩまで）の圧力で動作するように設計される。これは、セル内で生成された任意の酸素と水素との再結合を助長する。セルは、その内部圧力を、好ましくは約６００ＰＳＩ以下に、より好ましくは約４５０ＰＳＩ以下に維持するように構成される。ニッケル亜鉛セルは、他の実施形態では、比較的低めの圧力でガス抜きを行うように設計される。これは、ニッケル亜鉛セル内における水素と酸素との結合を助長するよりも、むしろ、水素および／または酸素を解放するのに適している。ガス抜き機構は、好ましくは、ガスの解放を許容する一方で、ガス抜きの再現性機能を妨害する電解質の通行は許容しないように構成される。この目的には、疎水性膜の使用が効果的であり（２００２年３月１５日付けで出願され且つ引用によって本明細書に組み込まれた、Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓによる米国特許出願１０／０９８，１９３「二次電池用の漏れ止め圧力逃し弁」を参照せよ）、これらの疎水性膜は、単独で使用することもできるし、あるいは、ガス用の蛇行性の逃げ道と併せて使用することもできる。その他にも、多くの電池用ガス抜き機構が当該分野で知られており、本発明での使用に適している。
【００５９】
セルを使用可能な状態に整えるためには、一般に、１つまたはそれ以上の「形成」サイクルによって電極構造を調整する必要がある。図２において、セルの形成は、工程２１３で達成される。形成サイクルは、電極の組成およびセルの容量などの要素を考慮に入れた特定の電圧−電流−時間曲線にしたがう。一典型例において、形成は、例えば約２４〜７４時間などの期間に渡って多数のセルを一度に充電する大電源を使用して達成される。
【００６０】
一具体例において、形成およびそれに関連した操作は、以下のように実施可能である。セルは、電解質を真空充填された後、２時間未満のソークを経る（ちなみに、ニッケルカドミウムセルは、概して２４時間のソークを経るが、通常は滴下充填される）。２時間が経過するまでのあいだ、セルは、正味で１００〜１５０％の論理容量を２４〜６０時間に渡って入力される形成充電状態に置かれる。形成プロトコルは、電解質の分配を助けると考えられる放電＆再充電の工程を含むが、この例は、この放電＆再充電の操作を伴わずとも実施可能である。別の一例では、形成途中の放電が省略される。セルは、単独で充電されても良いし、あるいは、２つを直列に並べて充電されても良いが、実生産環境では、沢山のセルを直列に並べて充電する方がより一般的である。形成の際は、全形成プロセスに渡って電圧の動きを監視し、重量減少量、インピーダンス値、および開路電圧を収集することによって、脆弱な恐れのあるセルを類別および特定することが可能である。
【００６１】
形成の完了後、各セルは、品質管理工程２１５で放電され、その特定の容量を決定される。同様の容量を有するセルは、同一の電池パック用にグループ分けされる。このように、とある電池パック内の各セルは、ほぼ同じ量を充電された後にフル充電状態になる。したがって、充電完了時の電池パック内には、大幅に使用された状態のセルも、大幅に過剰充電された状態のセルも、いずれも存在しない。電池のグループ分けは、用途の特性および感度に応じて２つまたはそれ以上のグループ分けに限定可能である。
【００６２】
ここで、図２の操作は、概して、ニッケルカドミウムセルの製造に使用される対応する操作と同じである、または、非常に似ている点に留意せよ。したがって、ニッケルカドミウムセルの製造の際にこれらの操作で使用された装置は、概して、ニッケル亜鉛セルの製造の際にも使用することができる。ただし、電極、集電体、および電解質の相違に応じて、装置または処理を個別に調整する必要がある。例えば、亜鉛電極は、カドミニウム電極では使用不可能である銅製の集電体を使用可能である。銅は、鋼よりも優れた電子伝導性を有する一方で、製造面で問題を生じる可能性がある。例えば、銅製の集電ディスクを銅製のシートに取り付ける際は、溶接のあいだ絶え間なく圧力を印加可能であるように、レーザ溶接を具体的に設定すると共に、適切なジグを用意する必要がある。
【００６３】
本発明にしたがって用意されたニッケル亜鉛セルは、パワーツールおよびＵＰＳの用途にとりわけ役立つ特性を具備可能である。例えば、本発明にしたがって用意されたニッケル亜鉛セルは、約６０Ｗｈ／ｋｇを超えるエネルギ密度と、通例で約５００Ｗ／ｋｇを超える連続パワー密度とを有すると考えられる。
【００６４】
本発明の別の一実施形態において、セルの端子は、家庭用電化製品用の従来のセルと比べて極性を逆転されている。本明細書で説明された多くの同じ製造方法は、以下で説明される軽微な変更を加えられたうえで、本実施形態を実現するために使用される。従来のパワーセル製造では、セルの極性は、蓋が正で且つ缶または容器が負である状態で確立される。すなわち、セルアセンブリの正極は、蓋に対して電気的に接続され、セルアセンブリの負極は、セルアセンブリを保持する缶に対して電気的に接続される。とりわけ、蓋は、可撓性のガスケットおよび歴青質のシール剤の使用によって、缶から電気的に隔てられている。
【００６５】
図４ａを参照せよ。図４ａは、逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態を図表示したものである。セルアセンブリ（４０７）は、本明細書に開示された技術を使用して製造される。負の内部端子（４０５）は、セルアセンブリの負極に対して電気的に接続される。ニッケル／亜鉛の電気化学に固有の特性ゆえに、負の内部端子（４０５）は、好ましくは銅で形成される。従来のパワーセルは、概して、全体で約３〜５ミリオームのインピーダンスを呈している。そのうちの約０．８ミリオームは、正の集電体と、蓋に溶接された抵抗とに起因すると考えられる。従来のパワーセルの電気化学を考慮すると、これは、一部には、端子の組成要件ゆえであると考えられる。本実施形態では、説明された方法で銅を使用することによって、負極で約０．５ミリオームの大幅なインピーダンスの低減を生じるので、その結果、より高い電力効率のセルを実現可能である。当業者ならば理解できるように、前述の利点は、保持容器（４１１）の内表面に銅をコーティングするまたはメッキすることによって実現可能である。ただし、この方法は、代替の製造工程を必要とする。
【００６６】
本実施形態およびその他の実施形態において、銅を内部端子として用いる場合は、特別の注意を必要とする。具体的に言うと、当該分野で知られているように、銅は、電流を運ぶという点だけでなく、熱を伝導するという点でも格別に効率的である。したがって、負極に内部端子を電気的に取り付けるには、特定の製造技術が必要である。代表的な一実施形態において、銅の内部端子は、穿孔されたうえで、負極に沿った複数の地点で負極に取り付けられるので、負極は、その長手方向に沿った複数の地点で集電体に取り付けられる。充電効率は、より広い面積の活性化によって更に高まる。穿孔は、また、電極を位置付ける働きをすると共に、電解質充填操作の際に電解質をスタックに均一に浸透させる働きもする。別の実施形態において、内部端子は、前述の利点を実現する目的でスロットを形成される。更に、前述のように、銅は、熱を伝導するという点で格別に効率的であるので、負極を損傷させることなく負極に内部端子を取り付ける新規の技術が必要である。とりわけ、これらの新規の技術は、スポット溶接、超音波溶接、レーザ溶接、はんだ付け、または端子材料および集電体材料に適した任意のその他の導電接合など、当該分野で良く知られたその他の技術と併せて使用可能である。
【００６７】
好ましい一実施形態において、レーザ溶接は、内部端子と銅製集電体との間に低インピーダンス接続を形成するために使用される。具体的な一アプローチにおいて、レーザ溶接は、十字を描く方式または溶接部の数を最大にするその他の追尾方式で実施される。このとき、レーザは、内部端子の表面を横断して各溶接点を捕らえる。なお、優れた溶接は、約０．２〜５ｋＷのパワーと、約０．５〜４ミリ秒のパルス幅と、約１〜２０Ｈｚのパルス周波数とを有する６００ミクロンビーム直径のレーザパルスを使用して実現可能である。これらのパワーレベルおよび負荷サイクルは、ユニテックミヤチより市販されているモデル番号ＬＷ７０Ａなどのパルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用して実現可能である。一アプローチでは、巻き上げられたニッケル−亜鉛ジェリーロールがジグに挿入される。このジグ内では、露出された負極の銅端に銅製の集電ディスクが押し付けられる。レーザビームは、ジェリーロールの端部を横断しつつ接続部を重ね溶接するようにプログラムされる。必要とされるパワーレベルは、銅製の電極基板の厚さと集電ディスクの厚さとに依存する。セルの大きさおよび通電能力に応じて、前者は一般に０．００２〜０．００５インチであり、後者は０．００２〜０．０１インチである。
【００６８】
図４ａに示されるように、正の内部端子（４０９）は、当該分野で周知の技術を使用して、正極に対して電気的に接続される。パワーセルの製造は、次いで、本明細書で説明された製造技術を使用して続行される。図４ｂは、上述された実施形態を更に明瞭にする目的で提示された図である。具体的に言うと、図４ｂは、逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態の断面を図表示したものである。とりわけ、図４ｂは、負の外部端子（すなわち蓋（４０１））を正の外部端子（すなわち缶（４０９））から電気的に隔てる働きをする絶縁ガスケット（４０３）の位置を示している。本実施形態では、電気的な隔離を実現する目的で、様々な材料を使用可能であると考えられる。
【００６９】
以上の記載は、本発明および現時点で好まれる実施形態を説明したものである。当業者ならば、本発明の実施に際して多数の変更および修正に思い至ると思われる。このような変更および修正は、以下の特許請求の範囲内に含まれる。
【００７０】
本明細書で挙げられた引用文献は、いずれも、その開示内容の全体を、引用によって本明細書に組み込まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態によるプロセスの流れを図表示したものである。
【図２】本発明の一実施形態によるプロセスの流れの更に図表示したものである。
【図３】巻き上げられる前のカソードおよびアノードを図表示した断面図である。
【図４ａ】逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態を図表示したものである。
【図４ｂ】逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態を図表示した断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
３０１，３０５…セパレータ
３０３，３０７…電極
３０９…巻き装置
４０１…負の外部端子（蓋）
４０３…絶縁ガスケット
４０５…負の内部端子
４０７…セルアセンブリ
４０９…正の内部端子
４１１…保持容器（缶）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電式電池の分野に関するものである。本発明は、より具体的には、充電式ニッケル亜鉛電池セルの製造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々なモバイル接続性を可能にする携帯型の通信機器および計算機器の登場は、充電式電池の分野における発展および革新を激化させた。容量および出力の増大は、充電式電源を、パワーツール市場を含む様々な分野に投入することを可能にした。パワーツールは、一般に、大電流を必要とするので、充電式電源は、必然的に、急速な放電特性に対応できる方向に発展してきた。本発明は、例えば無停電電源（ＵＰＳ）、電気自動車、および高需要家電など、いずれも高い通電容量および強い電流放電能力を必要とする、パワーツール以外の他の用途に用いることもできる。また、本発明は、当然ながら、例えば多くの主流な消費家電など、低めの放電率の用途に適用することもできる。
【０００３】
充電式電源は、非充電式電源と比べて多くのメリットを有する。例えば、非充電式電源の使用は、有害廃棄物の処理および浄化に関わる環境問題を深刻化させる。携帯型機器の急増を踏まえると、これらの携帯型機器に必要とされる非充電式電源の数は、驚異的な数字にのぼると考えられる。充電式電源は、電池セルの繰り返し使用を可能にするので、環境への有害廃棄物の投棄を低減させることができる。更に、充電式電源は、非充電式電源として消費されるはずだった金属資源および化学資源を節約することができる。充電式電源の使用は、最終的には、人口の増加に対処するために必要とされる継続的な節約努力を奨励し、その規模を拡大することができる。
【０００４】
充電式電源のメリットは多くあるものの、全く代償がないわけではない。具体的に言うと、充電式電源を構成する材料は、しばしば、環境に対して深刻な潜在的脅威を及ぼす。北東部リサイクル連合（ＮＥＲＣ）などの地域規模のリサイクル機関は、充電式電源の廃棄の問題に積極的に取り組んでいる。ＮＥＲＣの最近の報告によると、１０加盟国のうち９加盟国が鉛酸電池の廃棄を禁止しており、１０加盟国のうち６加盟国がニッケルカドミウム電池の廃棄を禁止しており、１０加盟国のうち４加盟国が酸化水銀電池の廃棄を禁止している（http://www.nerc.org/documents/recyclingrules0901.html）。また、ＥＰＡも、ニッカド電池の廃棄に対する業界全体の認識を近ごろ検討した結果、次のように述べている。
「コードレス電話、パワーツール、およびラップトップ型コンピュータなどの産業用器具および家庭用器具によく用いられるニッカド電池は、誤って廃棄された場合に潜在的環境リスクを生じうる製品の１つである。ニッカド電池は、最も強力な毒性成分であるニッケルおよびカドミウムの両方を含むので、正しく廃棄されなかった場合に健康問題を引き起こす可能性がある。これらは、いずれも重金属であるので、リサイクルおよび廃棄の際に、環境に対して悪影響を及ぼす可能性もある。（http://www.epa.nsw.gov.au/media/0403/eprbatteries.html）」
【０００５】
従来の充電式電源に良く使用されている一部の材料の有害性を考慮すると、有害でありうるあらゆる材料の量を低減させた充電式電源を製造することが望まれている。具体的に言うと、広く一般に使用されているニッケルカドミウム電池セルに代わる電池セルを見いだすことが望まれている。
【０００６】
充電式ニッケル亜鉛セルは、ニッケルカドミウムセルに匹敵する、ひいてはニッケルカドミウムセルを上回る出力対重量比を手頃なコストで実現可能であることが知られている。しかしながら、ニッケル亜鉛電池技術は、少なくとも２つの理由ゆえに、広く一般に採用されてこなかった。第１の理由は、サイクル寿命が比較的限られることである。言い換えると、ニッケル亜鉛セルは、匹敵するニッケルカドミウムセルによって通常に実現されるサイクル数の何分の１程度の充放電しか行うことができない。これは、亜鉛の分散および樹枝状結晶の形成に起因する。第２の理由は、ニッケル亜鉛電池に適した大量生産プロセスが見いだされなかったことである。
【０００７】
したがって、全く新しい製造基盤を必要とするのではなく、既存の製造技術をうまく活用するべく既存の製造技術を可能な限り使用することによって、環境に対して安全性の高い充電式電源を製造することが望まれている。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、ニッケルカドミウムタイプのセルを製造するためのプロセスを、重大な相違と共に使用することによって、前述のメリットを実現するものである。重大な相違とは、カドミニウム負極を、例えば、亜鉛、または酸化亜鉛もしくは亜鉛酸カルシウムなどの亜鉛化合物から作成された電極など、より有害性の低い負極に置き換えることを可能にする相違である。本明細書には、カドミニウムフリーのパワーセルを製造する各種の方法が記載されている。これらの方法は、ニッケル電極および亜鉛電極を製造するための大量生産ラインを使用して実施される。製造工程の一環として、キャリアシートは、スラリ状またはペースト状の負極材料および正極材料を連続的にコーティングされる。
【０００９】
正極材料は、ニッケル亜鉛電池システムに対応させるための重大な最適化をいくらか経るものの、基本的には、従来のニッケルカドミウム電池のニッケル電極の製造に使用される材料と同様の組成を有することが好ましい。負極は、電気化学的活物質として、酸化亜鉛を使用することが好ましい。負極は、実施形態によっては、酸化ビスマスおよび／または酸化アルミニウムなどのその他の材料を含む場合もある。負極用のキャリア（集電体として機能する）は、負極材料に対して電気化学的に適合可能であることが望ましい。例えば亜鉛電極の場合は、キャリア材料は、パンチシートまたはエキスパンデッドメタルの形態をとる銅または銅合金であることが好ましい。
【００１０】
粒子の凝集は、ニッケル亜鉛セルの性能に悪影響を及ぼすことが知られているので、一実施形態において、負極材料は、酸化亜鉛粒子の凝集を最小限に抑えるための分散剤を含有している。更なる実施形態において、方法は、電極を隔てると同時に亜鉛の樹枝状結晶の形成を最小限に抑えるセパレータ材料で形成された複数枚（例えば４枚）のシートを使用している。適したセパレータ材料としては、例えば、ナイロンシートおよび微多孔性ポリオレフィンシートなどが挙げられる。更に、本発明の製造方法は、亜鉛電極内における樹枝状結晶の成長を妨げる高導電性の電解質を活用することが好ましい。
【００１１】
本発明の製造方法は、他タイプのセル用に確保されていたこれまでの製造技術を使用するにもかかわらず、亜鉛負極を有するセルを製造することができる、という点で重要である。具体的に言うと、既存のニッケルカドミウム用の製造ラインを、本明細書で説明される方法に適応させるための軽微な変更を加えるだけで、そのまま使用することが可能である。例えば、本発明の製造方法は、正極および負極の集電体シートにペースト状またはスラリ状の正極材料および負極材料をコーティングする工程と、作成過程にあるこれらの電極シートを乾燥させ圧縮する工程と、これらのシートをカットして洗浄する工程と、カットされた電極シートおよびそれらの間に挟まれた微多孔性セパレータシートをもとに「ジェリーロール状」セルアセンブリを形成する工程とを備える。本明細書で説明されるこれらの方法は、既に明確で且つ成熟している製造基盤を新たな用法で用いるものである。
【００１２】
また、最後に、従来の製造方法の場合と比べて端子を逆転させて、セルの極性を逆転させることによって、充電式パワーセルの効率を向上させる方法も開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、添付の図面に併せた以下の説明を参照することによって、より完全に理解することができる。
【００１４】
なお、図中において、類似の参照符号は、類似の構成要素を表すものとする。また、図中の描写は、必ずしも一定の比例に基づくとは限らない。
【００１５】
本発明は、概して、広く一般に認められている充電式ニッケルカドミウムパワーセル用の生産技術に類似した技術を使用して充電式ニッケル亜鉛電池セルを製造する技術に関するものである。
【００１６】
以下では、図１〜４ｂを参照にしながら本発明の実施形態の説明を行う。しかしながら、当業者ならば容易に理解できるように、本発明の範囲は、これらの限られた実施形態の範囲内に留まらないので、これらの図面を参照にした詳細な説明は、説明を目的としたものである。
【００１７】
先ず、図１が参照される。図１は、本発明の一実施形態による製造プロセスの流れを図表示したものである。プロセスは、初め、負極シートを製造するための経路および正極シートを製造するための経路の２つの別々の経路を含む。説明されるこのプロセスにおいて、これらの２つの経路は、負極と正極とを組み合わせて単一のセルを形成する時点で最終的に合流する。これらの２つの経路のプロセス工程は、単一の設備内で並行して実施されるので、これらの電極は、立て続けにシートの形態に仕上げられた後、引き続き、本発明にしたがったニッケル亜鉛電池セルの形成プロセスで組み合わせることができる。
【００１８】
ブロック１０１，１２１は、正極および負極の出発材料の例を示している。これらのブロックに表されるように、この製造プロセスは、先ず初めに、電極の形成に必須とされる出発材料を用意することから開始しなければならない。このプロセスは、電極の形成のための原材料だけでなく、組み立てられたセル内において正極と負極とを隔てる働きをするセパレータシート、電解質、電極ペーストまたは電極スラリを形成するための水、セルパッケージング用の材料（例：ディスク端子およびセル缶など）はもちろん、（組み立てられたセル内において最終的に集電体として機能する導電性材料で構成された）電極キャリアシートも必要とする。
【００１９】
先ず、負極について考える。製造プロセスは、負極の形成に必要とされる負極材料（１０１）を用意することから開始する。図１に示された代表的な実施形態において、負極材料（１０１）は、ＺｎＯ、ＢｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＨＥＣ、および分散剤を含む。実施形態次第では、酸化インジウムが含まれる場合もある。そのほかにも、例えば亜鉛酸カルシウムまたはその前駆体（例：酸化カルシウムおよび酸化亜鉛）などの他の形態の亜鉛を使用したものを始めとする各種のその他の成分も可能である。その他の電極成分としては、無機フッ素、アルミナシリカ繊維などの無機繊維、およびコットンフロックなどの有機繊維が挙げられる。
【００２０】
前述のように、本発明は、概して、ニッケル亜鉛電池の製造方法に関するものである。このように、負極材料は、より広く一般に使用されているカドミウム化合物と比べて大幅に毒性の少ない亜鉛および亜鉛化合物をベースにしている。ＥＰＡは、亜鉛および亜鉛化合物を、発癌可能性についての証拠が不十分であるグループＤに分類している（Ｕ．Ｓ．ＥＰＡ、１９９５ａ）。更に、国際癌研究機関（ＩＡＲＣ）は、亜鉛を、発癌可能性のあるものとして分類していない（ＩＡＲＣ、１９８７ａ）。これに対して、疫学的証拠は、カドミウム暴露と、気道癌および腎臓癌を含む腫瘍形成との関連性を、強く支持している（ＡＲＢ、１９８６ｃ）。更に、ＥＰＡは、肺癌の増大を示した人体研究および動物実験に基づいて、カドミウムを、予想されるヒト発癌性物質の候補であるグループＢ１に分類している（Ｕ．Ｓ．ＥＰＡ、１９９４ａ）。更に、ＩＡＲＣは、人体における発癌性の疫学的証拠および動物で観察された発癌効果に基づいて、カドミウムおよびカドミウム化合物を、ヒト発癌性物質であるグループ１に分類している（ＩＡＲＣ、１９９３ｂ）。
【００２１】
前述のように、酸化亜鉛は、負極に用いるのに適した電気化学的活物質である。その他の亜鉛化合物も、同様に使用可能である。具体的に言うと、別の一実施形態では、出発材料として、ＺｎＯの代わりに亜鉛酸カルシウム（ＣａＺｎ（ＯＨ）4）が使用可能である。亜鉛酸カルシウムの生成は、有害な影響を及ぼしうる発熱反応を伴う可能性がある。この反応は、強い脱水効果も呈するので、負極製造用のスラリまたはペーストの生成プロセス中に制御することは困難である。したがって、亜鉛酸カルシウムを使用する場合は、その少なくとも一部を実験室外で予め形成しておき、そのうえで、負極材料の混合物に追加することが望ましい。このように亜鉛酸カルシウムを使用する場合の基本的な手順は、発明者Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓによる２００２年３月１５日付けのＰＣＴ特許出願ＣＡ ０２／００３５２（国際公開ＷＯ ０２／０７５８２５）に記載されている。この文献は、引用によって本明細書に組み込まれるものとする。
【００２２】
高温「燃え尽き」処理は、得られる亜鉛電極の高率性能を高めることが知られている。通常のアプローチにおいて、酸化亜鉛は、（下層である銅製の集電体の酸化を制限するため）不活性雰囲気または真空のもとで、約０．５〜２時間に渡って約３００〜３８０℃（好ましくは約３２０℃）に過熱される。燃え尽き処理は、亜鉛電極の高率放電特性に悪影響を及ぼすと考えられる分散剤およびその他の有機材料を排除可能である。代替案として、または追加案として、燃え尽き処理は、高率放電特性を妨害する可能性がある炭酸塩も排除可能である。炭酸塩は、電解質から水酸化物を減損させること、および／または電解質の輸送能力を低下させることを通じて電解質の導電性を低下させると考えられる。あいにく、酸化亜鉛は、雰囲気内の二酸化炭素と容易に反応して炭酸亜鉛を形成する。したがって、雰囲気に曝された酸化亜鉛粒子の表面は、徐々に多量の炭酸塩を形成していく可能性がある。市販の酸化亜鉛源の多くは、炭酸塩をかなりの含有量で含んでいる。この問題を緩和するためには、電極の製造に先だって、酸化亜鉛を過熱して、二酸化炭素を追い出しておくことが望ましい。好ましい一実施形態では、負極の製造に使用される酸化亜鉛中の炭酸塩の含有量は、約１重量パーセント以下である。
【００２３】
負極スラリまたは負極ペーストは、酸化亜鉛または電気化学的に活性であるその他の亜鉛源に加えて、電極内で例えばイオン輸送、電子輸送、湿潤特性、多孔度、構造的完全性、および活物質の溶解度などの特定のプロセスを促進するその他の材料を含むことも可能である。その他の添加物は、プロセスの流れの一貫性、およびスラリまたはペーストそれ自体のその他のプロセス関連特性を制御している。具体的な一実施形態では、負極スラリは、酸化ビスマス、酸化アルミニウム、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、および分散剤を含む。
【００２４】
ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）は、スラリ状またはペースト状の負極材料の一貫性を制御するために使用可能である。ＨＥＣは、濃化、懸濁、結合、乳化、成膜、安定化、分散、保水、および保護コロイド作用の提供を可能にする非イオン性の水溶性ポリマである。ＨＥＣは、温水または冷水に容易に溶解するので、広範囲に及ぶ様々な粘度の溶液を調製するために使用することができる。また、ＨＥＣは、溶解電解質に対して卓越した耐性を有する。したがって、本発明では、（ペースト状の）負極材料に保水性を持たせるために、ＨＥＣまたはそれに関連した特性を有するその他の材料が使用される。
【００２５】
負極スラリを形成する一アプローチでは、２種類の混合物が別々に生成され、それら２種類の混合物は、混合を経てスラリを形成する。第１の混合物は、水およびＨＥＣ（またはその他の適切な材料）を含み、第２の混合物は、水および予めふるい分けされた固体（例：ＺｎＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、および分散剤）を含む。
【００２６】
その他の負極組成については、引用によって本明細書に組み込まれた文献：国際公開ＷＯ ０２／３９５１７（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）、国際公開ＷＯ ０２／０３９５２０（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）、国際公開ＷＯ ０２／３９５２１、国際公開ＷＯ ０２／０３９５３４（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）、および２００２年３月１５日付けの米国特許出願１０／０９８，１９５に記載されている。これらの参考文献に記載された負極の添加物は、シリカ、並びに各種のアルカリ土類金属、繊維金属、重金属、および貴金属のフッ化物などである。
【００２７】
前述のように、製造プロセスは、炭酸塩の含有量が小さい酸化亜鉛を使用することが好ましい。あいにく、炭酸塩の含有量が小さい酸化亜鉛は、炭酸塩の含有量が普通に大きい酸化物と比べて遙かに凝集しやすく、容易に懸濁状態になることが知られている。このように、酸化亜鉛は、凝集粒子を形成しやすいので、これは、各成分をよく混ぜ合わされ且つ各成分を均一に分散された負極の製造を困難にする。この問題に対処するため、本発明は、分散剤を使用することによって、炭酸塩の含有量が小さい酸化亜鉛粒子の凝集を最小限に抑えている。概して、分散剤は、粒子の表面特性に変更を施すことによって、スラリまたはその他の懸濁液内における分散を助長する。分散剤の多くは、分散させるべき特定の粒子の表面特性に合わせて調整された従来の表面活性剤またはそれらの変形物である。塗料業界では、酸化亜鉛が広く一般に使用されているので、これまでに、酸化物用の様々な分散剤が開発されてきた。このような分散剤の１つは、日本国京都府所在のサンノプコ株式会社よりＮＯＰＣＯＳＰＥＲＳＥ ４４として市販されている。この分散剤は、十分な量で用いられた場合に、酸化亜鉛粒子の表面をコーティングして、それによって、本発明の製造プロセス中における酸化亜鉛粒子の凝集を排除することが知られている。
【００２８】
図１に示されるように、負極材料（１０１）は、上述のように混ぜ合わされ、水性スラリ（１０３）を形成した後、スラリコート（１０５）として導電性キャリアシート（１５１）上に連続供給される。なお、当業者ならば明らかなように、この材料は、ペースト状に形成することもでき、その場合は、正極形成のための工程１２５にあるように、ペーストヘッドを介して連続供給することができる。例えば一具体例では、ペーストヘッドは、負極ペーストの混合物を約３ｐｓｉの圧力でキャリアシートの片面に供給する。スラリ状のコーティングが使用される場合は、従来のスラリコーティング装置が使用可能である。このような装置では、キャリアシートを内部で順次移動させていくチャンバ内に、スラリが連続供給される。
【００２９】
ここで、従来の亜鉛電極は、負極のキャリア上にペーストまたはスラリを引き込む真空技術を用いて形成される点に留意せよ。活物質として亜鉛酸カルシウムが使用される場合などは、石油系添加物の使用を通じてテフロン（登録商標）のフィブリル化が促進される。これは、キャリア上にプレス形成される電極シートの製造を容易にする。
【００３０】
なお、正極の形成には、ニッケル、ニッケルをメッキされた鋼、および銀などを非限定的に含む複数のキャリア材料のうちの任意の材料を使用可能である。当業者ならば理解できるように、キャリアシートは、完成されたニッケル亜鉛セル内で負極用の集電体として機能する。銅の有する低抵抗性、比較的安価である点、亜鉛電極との電気化学的適応性などを考慮すると、キャリアシートとして特に好ましい材料は、銅および銅合金である。ここで、ニッケルをメッキされた鋼は、市販のニッケルカドミウムセルのカドミニウム電極用のキャリアとして選り抜きの選択肢である点に留意せよ。
【００３１】
キャリアシートは、パンチメタルシート、エキスパンデッドメタル、および発泡メタルを含む様々な構造形態で用意することができる。特定の構造形態を選択する際の基準としては、コスト、コーティングのしやすさ、および集電体と電気化学的活性電極材料との間で電子輸送を促進する能力が挙げられる。好ましい一実施形態では、キャリアの厚さは、パンチシートの場合は約２〜５ミルであるのに対して、エキスパンデッドメタルの場合は約２〜２０ミルである。また、発泡メタル基板の場合は、１５〜６０ミルの厚さである。
【００３２】
コーティングを施された負極は、次いで、電極材料の供給媒体として使用された過剰な水を駆逐する目的で乾燥される（１０７）。この目的には、空気または窒素の流れを利用した熱乾燥器を使用可能である。
【００３３】
こうして得られた負極は、次いで、ローラまたはその他の適切な圧縮機構を使用して圧縮される（１０９）。当業者ならば理解できるように、圧縮は、電極の厚さを均一にするので、製造公差を維持することができる。圧縮は、また、負極の多孔度を所望のレベルにする。多孔度は、電解質と電極との間におけるイオンの輸送特性を制御する。多孔度は、負極の活性表面積を、ひいては負極の電流密度も決定する。一代表例では、圧縮後の負極の厚さは約１０〜４０ミル（例えば約２０ミル）であり、多孔度は約４０〜６５％である。
【００３４】
適度に圧縮された電極シートは、工程１１１において、カット処理およびクリーン処理を施される。ここで、キャリアシートは、通常は、単位電池セルに必要とされる幅を大幅に上回る例えば約１ヤードなどの幅を有する点に留意せよ。したがって、負極は、最終製品に固有の公差に適合した幅（例えばサブＣサイズの電池セルの場合はおよそ１．２５インチ）にカットされる。カットされた負極は、更なる組み立てに先だって、その一部を「クリーン処理」可能である。具体的に言うと、負極の沿層方向に沿って、負極材料の細片が除去される。クリーン処理による細片除去は、下層にある集電体金属を露出させることによって、更なる工程２０３で行われる負極集電体に対する端子の取り付けを容易にする。クリーン処理は、はんだ付け、スポット溶接、または当該分野で知られる任意のその他の導電接合に特に適した表面を処理後に残すことができる。しかしながら、端子の取り付けは、その他の方法によっても実現可能である。当業者ならば理解できるように、電極のクリーン処理は、剥離、研磨、研削、洗浄、および拭き取りを非限定的に含む任意の方法によって実現可能である。粒状物質を排除するため、これは、通常は真空掃除と組み合わせて実施される。
【００３５】
正極も、負極について上述された方法と同様に形成可能である。先ず、第１の工程１２１において、正極を形成するための正極材料が用意される。図１に示される一実施形態では、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）2）と、酸化亜鉛と、酸化コバルト（ＣｏＯ）と、ニッケル金属と、コバルト金属（随意）と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などのフロー制御剤とを含有する正極材料（１２１）が用意される。好ましい一実施形態において、酸化亜鉛および酸化コバルトの少なくとも一部は、水酸化ニッケルとの化学混合物の形で用意されるので、この場合の個々の粒子は、水酸化ニッケル、酸化亜鉛、および酸化コバルトを含有している。このような予混合材料は、個々の成分の共沈によって調製可能であり、インターナショナルニッケル社およびタナカ社などの良く知られたメーカより市販されているものを使用可能である。これらの材料は、不溶性のニッケル格子内に酸化物を閉じ込めることによって、溶脱を阻止する。共沈は、また、正極材料内に導電通路を形成することによって、電荷移動の効率を目に見えて助長する。好ましい一実施形態において、共沈材料内に存在する酸化亜鉛および酸化コバルトの濃度は、亜鉛にして約２〜３重量パーセントであり、酸化コバルトにして約２〜６重量パーセントである。更に、正極材料は、化学的に純なコバルト金属およびニッケル金属を追加で含有可能である。
【００３６】
正極にコバルト金属が用いられる場合は、コバルト金属は、約１〜１０重量パーセントの濃度で存在することが好ましい。この濃度範囲は、広範囲に及ぶ各種の放電率（例：亜鉛電極の表面積に対して約０．００１〜０．４アンペア／ｃｍ2）に適している。代表的な高率用途（例：亜鉛電極の表面積に対して約０．０１〜０．４アンペア／ｃｍ2で放電が行われる場合）において、正極内のコバルト金属の濃度は、約４〜１０重量パーセントである。これに対して、代表的な低率用途では、コバルト金属は、約１〜５重量パーセントの濃度を有しており、このとき、放電は、亜鉛電極の表面積に対して約０．００１〜０．０１アンペア／ｃｍ2で行われる。
【００３７】
別の実施形態では、導電率を高めるために、工程１２１の材料に酸化コバルトを追加可能である。しかしながら、出発材料は、概して、追加の酸化コバルトを全く含まない、または少量のみ含むことが好ましい。ここで、市販のニッケルカドミウムセルの場合は、正極混合物中に遊離酸化コバルトを通常に使用している点に留意せよ。
【００３８】
一アプローチでは、別々の２種類の混合物から正極ペーストが形成される。つまり、ＣＭＣ（カルボキシメチルセルロース）および水を含む混合物と、水、水酸化ニッケル−酸化コバルト−酸化亜鉛の共沈物、ニッケル金属、および比較的純な酸化コバルトを含む別の混合物とから正極ペーストが形成される。これら２種類の混合物は、混合を経て正極ペーストを形成する。ここで、ＣＭＣは、工程１２３で得られるペーストの流量特性を高める目的で含有されている点に留意せよ。
【００３９】
引用によって本明細書に組み込まれた国際公開ＷＯ ０２／０３９５３４（Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ）（Ｎｉ（ＯＨ）2と、ＣｏＯと、微粉化されたコバルト金属との共沈物）、並びに２００２年３月１５日付けの米国特許出願１０／０９８，１９４（フッ化物添加物）に、いくつかの正極組成が記載されている。
【００４０】
ブロック１２５において、ペーストは、ペーストヘッドを介して正極キャリアシート上に連続供給される。なお、負極の形成に使用されるキャリア金属は、例えば、低コストであること、高伝導率であること、正極に対して電気化学的に適合可能であること、および電気化学的活物質に対する接触性に優れていることなどの、適切な設計基準を満たしさえすれば、任意の金属であることが可能である。非限定的な例として、ニッケル、およびニッケルをメッキされたステンレス鋼などが挙げられる。キャリア金属は、パンチメタル、エキスパンデッドメタル、焼結メタル、発泡メタル、および金属をコーティングされたポリマ材料を含む各種の構造形態の１つをとることができる。好ましい一実施形態において、キャリアは、例えば、ニッケルを電解析出された発泡ウレタンを熱分解することによって形成されるニッケルの発泡メタルである。厚さを均一に保つ目的でプリプレスされた発泡正極キャリアは、例えば、約１５〜６０ミルの厚さを有する。
【００４１】
正極材料をコーティングされたキャリアシートは、次いで、過剰の水を駆逐する目的で乾燥され（１２７）、更に、圧縮される（１２９）。これらのプロセス工程は、負極について説明された工程１０７，１０９と同様にして実施可能である。当業者ならば理解できるように、また、負極について上述されたように、圧縮は、電極の厚さおよび多孔度を負極製造ルートについて上述された望ましい均一のレベルにする。得られた正極シートは、好ましくは、約１５〜４０ミル（例：約２５ミル）の厚さと、約３０〜４５％の多孔度とを有する。
【００４２】
正極は、続く工程１３１において、タブ付け処理およびスリット処理を施される。電極を一定の幅にスリットするプロセスは、タブ付けの前または後のいずれでも実施可能である。しかしながら、自動生産ラインの多くは、生産ライン内に設けられたタブ付けプロセス後に電極材料をスリットしている。コイン状の端部にタブ付けするプロセスは、ジェリーロール状の巻き上げ後に最終的に実施される集電体構成の溶接を容易にする。タブは、ニッケルまたはニッケルをメッキされた鋼で作成された帯状の片であり、電極の有するコイン状の未ペースト端にシーム溶接される、抵抗溶接される、または超音波溶接される。その結果、電極の沿層方向に沿って、帯状の固体片が形成され、これは、集電ディスクに対して電極を強固に接合することを容易にする。
【００４３】
セルとして完成されるシート積層構造を形成するため、２つの製造ルート（負極製造ルートおよび正極製造ルート）は、プロセスのこの時点で合流する。この合流の時点（図１では「Ａ」として表されている）では、複数の材料シートが接合され、巻き上げまたは組み立てを経てセル構造が形成される。一具体例では、４枚のセパレータ材料（ソース１１３，１３３として図示されている）と、正極シートと、負極シートとが交互に配される。したがって、電極は、製造された時点で、半透性のセパレータシート（１１３，１３３）の間に挟み込まれる。
【００４４】
一実施例において、正極用のセパレータ（１１３）は、セルガード社（ノースカロライナ州シャーロット所在）よりＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）セパレータシリーズとして、またはソルテック社よりＳＯＬＵＰＯＲＥ製品として市販されている、複数枚の微多孔性ポリオレフィンシートである。このセパレータは、電極と電解質との間におけるイオン交換を可能にする一方で、正極および負極を機械的に隔てる役割も果たす。したがって、電解質に対して優れた透過性を有することが望まれる。一実施例において、負極用のセパレータ（１３３）は、ナイロンシートである。当該分野で知られるその他のセパレータ材料も、使用可能である。したがって、前述のように、ナイロンをベースにした材料および微多孔性のポリオレフィン（例：ポリエチレンおよびポリプロピレン）が適している。
【００４５】
図３を参照せよ。図３は、巻き上げられる前の正極および負極の断面図である。図示された例では、セパレータ（３０１，３０５）は、電極シートと共に巻き装置３０９に引き込まれるまたは送り込まれる前に、先ず、電極（３０３，３０７）の平面に沿って電極（３０３，３０７）を覆う形で折り重ねられる。このアプローチでは、２種類のセパレータ源が使用される。別の一実施形態では、各電極シートは、それぞれ２種類の異なるセパレータ源のセパレータシートで挟まれるので、このときは、２種類ではなく４種類のセパレータ源が使用される。したがって、セパレータシートは、最初に電極の前縁部に折り重ねられることはない。しかしながら、最終的に得られる積層構造は同じである。すなわち、いずれのアプローチも、２枚のセパレータ層によって各電極層が隣り合う電極層から隔てられた構造を得る。これは、隣り合う電極層と電極層との間に１枚のセパレータ層のみを介在させたニッケルカドミウムセルの場合と異なる。このように追加された層は、亜鉛の樹枝状結晶の形成に起因して生じうるニッケル亜鉛セルの短絡を阻止するのに役立つ。
【００４６】
樹枝状結晶は、骨格状すなわち樹状の成長パターン（「樹枝状成長」）を有する金属堆積内結晶構造である。実際問題として、樹枝状結晶は、パワーセルの寿命中にパワーセルの導電媒質内で生じ、負極と正極とを効率良く橋絡することによって、短絡をひいては電池機能の損失を生じる。
【００４７】
ここで、セパレータシートは、一般に、電極シートの全幅を覆うものではない点に留意せよ。具体的に言うと、各電極シートの一端は、工程２０３で行われる端子の取り付けのため、露出されたままで残される。これらは、工程１１１，１３１で電極材料をきれいに落とされた側の一端である。更に、同様の理由で、電極は、クリーン処理された前述の帯状の一片の幅ぶんだけ外側にオフセットされる。これは、工程２０３で行われる端子の取り付けに適応させるために、一方の外側端は負の集電体のみを、もう一方の外側端は正の集電体のみを、それぞれ露出させたことを意味している。
【００４８】
巻き装置は、これらの各種のシートを一度に中に引き入れ、それらを丸めてジェリーロール状の構造に仕上げる。十分な厚さの円筒構造が形成されると、巻き装置は、セパレータ層および電極をカット処理して、セルアセンブリの完成品に仕上げる。
【００４９】
図２を参照せよ。図２は、図１のプロセスフローの続きを示している。図２のプロセスは、組み立て工程「Ａ」で得られたセルアセンブリ２０１からスタートする。セルが円筒状の場合は、このアセンブリは、ジェリーロール状の構造をとる。代わる別の一実施形態では、このアセンブリは、長方形のまたは角柱状の多層構造をとる。なお、当業者ならば理解できるように、セルアセンブリは、ユーザに依存した形状因子を有しており、当該分野で良く知られた任意の形態を取ることが可能である。角柱の形態が使用される場合は、組み立てに先だって、正極シートおよび負極シートをそれぞれのセパレータで予め包んでおくことが望ましいと考えられる。
【００５０】
電極層およびそれらの間に挟まれたセパレータ層の巻き上げ工程またはその他の組み立て工程が完了すると、負極および正極にそれぞれ内部端子を導電的に取り付ける工程が実施される（２０３）。より具体的に言うと、セルアセンブリの軸方向の一端では、露出された正の集電体に対して正端子が導電的に取り付けられ、セルアセンブリの軸方向のもう一端では、露出された負の集電体に対して負端子が導電的に取り付けられる。内部端子を取り付ける工程は、スポット溶接、超音波溶接、レーザ溶接、はんだ付け、並びに端子および集電体の材料に適したその他の任意の導電接合法など、当該分野で良く知られた任意の手法によって実現可能である。本発明の一実施形態では、内部端子は、孔もしくは溝を形成された、または形成されてないディスク構造である。別の一実施形態では、内部端子は、Ｈ字型構造である。内部端子は、その実際の構造がどうであれ、取り付け先である電極上にタブを設ける必要なしに、電極に対して導電的に取り付けることができる。
【００５１】
内部端子を取り付けられた後、セルアセンブリは、保持容器に挿入される（２０５）。セルアセンブリが円筒状の場合は、保持容器は例えば缶などである。缶またはその他の容器は、完成されたセルの外側ハウジングまたは外側ケーシングとして機能する。工程２０７では、缶にセルアセンブリを入れた状態で、端子ディスク（またはその他の内部端子）を、セルの缶と蓋またはその他の外部端子とに導電的に取り付けることができる。
【００５２】
外部端子は、動力デバイスのためのパワーセルに電気的にアクセスすることを可能にする。外部端子は、実施形態次第では、好ましくはニッケルメッキなどの非腐食性の金属でメッキされる場合もある。更に、外部端子は、電極を衝撃から隔てる働きをする。電子デバイスの携帯性を考慮すると、それ相応に大きな衝撃が見込まれる。したがって、外部端子を電極の集電体に直接的に取り付けると、溶接継手が重大な不具合を生じたり、電極が直接的な損傷を被ったりする可能性がある。
【００５３】
次の工程２０９では、適切な電解質が用意される。特に、本発明に関しては、電解質は、樹枝状結晶の形成と、亜鉛電極内におけるその他の形態の材料再分配とを制限する組成を有することが望ましい。このような電解質は、概して、当該分野において未発見である。しかしながら、１９９３年６月１日付けでＭ．Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇに対して発行され且つ引用によって本明細書に組み込まれた米国特許第５，２１５，８３６号に、この基準を満たす電解質の１つが開示されている。特に好ましい電解質は、（１）酸に対して化学量論的に過剰の２．５〜１１．０当量／リットルの水酸化物を生成する量の、アルカリ水酸化物またはアルカリ土類水酸化物と、（２）溶液全体に対して０．０１〜１．０当量／リットルの濃度範囲に対応する量の、可溶性のアルカリフッ化物またはアルカリ土類フッ化物と、（３）ホウ酸塩、砒酸塩、および／またはリン酸塩（好ましくはホウ酸カリウム、メタホウ酸カリウム、ホウ酸ナトリウム、および／またはメタホウ酸ナトリウム）とを含有している。具体的な一実施形態において、電解質は、４．５〜１０当量／リットルの水酸化カリウムと、２．０〜６．０当量／リットルのホウ酸またはメタホウ酸ナトリウムと、０．０１〜１．００当量／リットルのフッ化カリウムとを備える。現時点で高率用途に用いるのに好まれている電解質は、８当量／リットルの水酸化物と、４．５当量のホウ酸と、０．２当量のフッ化カリウムとを備える。
【００５４】
本発明は、Ｅｉｓｅｎｂｅｒｇの特許で提示された電解質組成に限定されず、概して、対象用途ごとの特定の基準を満たす任意の電解質組成で十分である。高出力用途が望まれる場合は、電解質は、非常に優れた導電性を有することが望ましい。長サイクル寿命が望まれる場合は、電解質は、樹枝状結晶の形成に耐えうることが望ましい。したがって、本発明では、ホウ酸塩および／またはフッ化物を含有するＫＯＨ電解質を、適切なセパレータ層と併せて使用することによって、樹枝状結晶の形成を低減させ、ひいては、より強固で且つ長寿命のパワーセルを実現している。
【００５５】
具体的な一実施形態において、電解質組成は、約３〜５当量／リットルの過剰の水酸化物（例：ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ）を含有している。これは、負極が酸化亜鉛をベースにした電極であると想定した場合である。亜鉛酸カルシウムの負極に対しては、別の電解質成分が適している。例えば、亜鉛酸カルシウムに適した電解質の組成は、約１５〜２５重量パーセントのＫＯＨと、約０．５〜５．０重量パーセントのＬｉＯＨとである。
【００５６】
容器を電解質で満たすには、様々な技術を使用可能である。一実施例において、電解質は、注入口を介してセルに電解質を入れる注入プロセスを通じて導入される。その他の場合は、蓋を付ける前に電解質を加え、次いで、その流体を分配させるべくセルを回転させることができる。
【００５７】
缶またはその他の格納容器は、電解質で満たされた後、電極および電解質を周囲から隔てるべく密閉される。ブロック２１１を参照せよ。当業者ならば理解できるように、密閉の方法としては、圧接、溶接、プレス加工、および糊付けを非限定的に含む複数の密閉方法のうちの任意の方法を使用可能である。セルが円筒状である場合は、蓋は、缶上部の円周ビード上にあるガスケット上に座している。次いで、缶の上端は、密閉を実現するために、電気接触を生じることなく蓋に対して押し下げられる。
【００５８】
セルは、概して、周囲から密閉されているが、実施形態次第では、充放電中に生成されたガスを電池から抜くことを許容される場合もある。代表的なニッケルカドミウムセルは、約２００ＰＳＩの圧力でガス抜きを行う。ニッケル亜鉛セルは、実施形態次第では、ガス抜きを必要とすることなく上記の圧力およびそれ以上（例：３００ＰＳＩまで）の圧力で動作するように設計される。これは、セル内で生成された任意の酸素と水素との再結合を助長する。セルは、その内部圧力を、好ましくは約６００ＰＳＩ以下に、より好ましくは約４５０ＰＳＩ以下に維持するように構成される。ニッケル亜鉛セルは、他の実施形態では、比較的低めの圧力でガス抜きを行うように設計される。これは、ニッケル亜鉛セル内における水素と酸素との結合を助長するよりも、むしろ、水素および／または酸素を解放するのに適している。ガス抜き機構は、好ましくは、ガスの解放を許容する一方で、ガス抜きの再現性機能を妨害する電解質の通行は許容しないように構成される。この目的には、疎水性膜の使用が効果的であり（２００２年３月１５日付けで出願され且つ引用によって本明細書に組み込まれた、Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓによる米国特許出願１０／０９８，１９３「二次電池用の漏れ止め圧力逃し弁」を参照せよ）、これらの疎水性膜は、単独で使用することもできるし、あるいは、ガス用の蛇行性の逃げ道と併せて使用することもできる。その他にも、多くの電池用ガス抜き機構が当該分野で知られており、本発明での使用に適している。
【００５９】
セルを使用可能な状態に整えるためには、一般に、１つまたはそれ以上の「形成」サイクルによって電極構造を調整する必要がある。図２において、セルの形成は、工程２１３で達成される。形成サイクルは、電極の組成およびセルの容量などの要素を考慮に入れた特定の電圧−電流−時間曲線にしたがう。一典型例において、形成は、例えば約２４〜７４時間などの期間に渡って多数のセルを一度に充電する大電源を使用して達成される。
【００６０】
一具体例において、形成およびそれに関連した操作は、以下のように実施可能である。セルは、電解質を真空充填された後、２時間未満のソークを経る（ちなみに、ニッケルカドミウムセルは、概して２４時間のソークを経るが、通常は滴下充填される）。２時間が経過するまでのあいだ、セルは、正味で１００〜１５０％の論理容量を２４〜６０時間に渡って入力される形成充電状態に置かれる。形成プロトコルは、電解質の分配を助けると考えられる放電＆再充電の工程を含むが、この例は、この放電＆再充電の操作を伴わずとも実施可能である。別の一例では、形成途中の放電が省略される。セルは、単独で充電されても良いし、あるいは、２つを直列に並べて充電されても良いが、実生産環境では、沢山のセルを直列に並べて充電する方がより一般的である。形成の際は、全形成プロセスに渡って電圧の動きを監視し、重量減少量、インピーダンス値、および開路電圧を収集することによって、脆弱な恐れのあるセルを類別および特定することが可能である。
【００６１】
形成の完了後、各セルは、品質管理工程２１５で放電され、その特定の容量を決定される。同様の容量を有するセルは、同一の電池パック用にグループ分けされる。このように、とある電池パック内の各セルは、ほぼ同じ量を充電された後にフル充電状態になる。したがって、充電完了時の電池パック内には、大幅に使用された状態のセルも、大幅に過剰充電された状態のセルも、いずれも存在しない。電池のグループ分けは、用途の特性および感度に応じて２つまたはそれ以上のグループ分けに限定可能である。
【００６２】
ここで、図２の操作は、概して、ニッケルカドミウムセルの製造に使用される対応する操作と同じである、または、非常に似ている点に留意せよ。したがって、ニッケルカドミウムセルの製造の際にこれらの操作で使用された装置は、概して、ニッケル亜鉛セルの製造の際にも使用することができる。ただし、電極、集電体、および電解質の相違に応じて、装置または処理を個別に調整する必要がある。例えば、亜鉛電極は、カドミニウム電極では使用不可能である銅製の集電体を使用可能である。銅は、鋼よりも優れた電子伝導性を有する一方で、製造面で問題を生じる可能性がある。例えば、銅製の集電ディスクを銅製のシートに取り付ける際は、溶接のあいだ絶え間なく圧力を印加可能であるように、レーザ溶接を具体的に設定すると共に、適切なジグを用意する必要がある。
【００６３】
本発明にしたがって用意されたニッケル亜鉛セルは、パワーツールおよびＵＰＳの用途にとりわけ役立つ特性を具備可能である。例えば、本発明にしたがって用意されたニッケル亜鉛セルは、約６０Ｗｈ／ｋｇを超えるエネルギ密度と、通例で約５００Ｗ／ｋｇを超える連続パワー密度とを有すると考えられる。
【００６４】
本発明の別の一実施形態において、セルの端子は、家庭用電化製品用の従来のセルと比べて極性を逆転されている。本明細書で説明された多くの同じ製造方法は、以下で説明される軽微な変更を加えられたうえで、本実施形態を実現するために使用される。従来のパワーセル製造では、セルの極性は、蓋が正で且つ缶または容器が負である状態で確立される。すなわち、セルアセンブリの正極は、蓋に対して電気的に接続され、セルアセンブリの負極は、セルアセンブリを保持する缶に対して電気的に接続される。とりわけ、蓋は、可撓性のガスケットおよび歴青質のシール剤の使用によって、缶から電気的に隔てられている。
【００６５】
図４ａを参照せよ。図４ａは、逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態を図表示したものである。セルアセンブリ（４０７）は、本明細書に開示された技術を使用して製造される。負の内部端子（４０５）は、セルアセンブリの負極に対して電気的に接続される。ニッケル／亜鉛の電気化学に固有の特性ゆえに、負の内部端子（４０５）は、好ましくは銅で形成される。従来のパワーセルは、概して、全体で約３〜５ミリオームのインピーダンスを呈している。そのうちの約０．８ミリオームは、正の集電体と、蓋に溶接された抵抗とに起因すると考えられる。従来のパワーセルの電気化学を考慮すると、これは、一部には、端子の組成要件ゆえであると考えられる。本実施形態では、説明された方法で銅を使用することによって、負極で約０．５ミリオームの大幅なインピーダンスの低減を生じるので、その結果、より高い電力効率のセルを実現可能である。当業者ならば理解できるように、前述の利点は、保持容器（４１１）の内表面に銅をコーティングするまたはメッキすることによって実現可能である。ただし、この方法は、代替の製造工程を必要とする。
【００６６】
本実施形態およびその他の実施形態において、銅を内部端子として用いる場合は、特別の注意を必要とする。具体的に言うと、当該分野で知られているように、銅は、電流を運ぶという点だけでなく、熱を伝導するという点でも格別に効率的である。したがって、負極に内部端子を電気的に取り付けるには、特定の製造技術が必要である。代表的な一実施形態において、銅の内部端子は、穿孔されたうえで、負極に沿った複数の地点で負極に取り付けられるので、負極は、その長手方向に沿った複数の地点で集電体に取り付けられる。充電効率は、より広い面積の活性化によって更に高まる。穿孔は、また、電極を位置付ける働きをすると共に、電解質充填操作の際に電解質をスタックに均一に浸透させる働きもする。別の実施形態において、内部端子は、前述の利点を実現する目的でスロットを形成される。更に、前述のように、銅は、熱を伝導するという点で格別に効率的であるので、負極を損傷させることなく負極に内部端子を取り付ける新規の技術が必要である。とりわけ、これらの新規の技術は、スポット溶接、超音波溶接、レーザ溶接、はんだ付け、または端子材料および集電体材料に適した任意のその他の導電接合など、当該分野で良く知られたその他の技術と併せて使用可能である。
【００６７】
好ましい一実施形態において、レーザ溶接は、内部端子と銅製集電体との間に低インピーダンス接続を形成するために使用される。具体的な一アプローチにおいて、レーザ溶接は、十字を描く方式または溶接部の数を最大にするその他の追尾方式で実施される。このとき、レーザは、内部端子の表面を横断して各溶接点を捕らえる。なお、優れた溶接は、約０．２〜５ｋＷのパワーと、約０．５〜４ミリ秒のパルス幅と、約１〜２０Ｈｚのパルス周波数とを有する６００ミクロンビーム直径のレーザパルスを使用して実現可能である。これらのパワーレベルおよび負荷サイクルは、ユニテックミヤチより市販されているモデル番号ＬＷ７０Ａなどのパルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザを使用して実現可能である。一アプローチでは、巻き上げられたニッケル−亜鉛ジェリーロールがジグに挿入される。このジグ内では、露出された負極の銅端に銅製の集電ディスクが押し付けられる。レーザビームは、ジェリーロールの端部を横断しつつ接続部を重ね溶接するようにプログラムされる。必要とされるパワーレベルは、銅製の電極基板の厚さと集電ディスクの厚さとに依存する。セルの大きさおよび通電能力に応じて、前者は一般に０．００２〜０．００５インチであり、後者は０．００２〜０．０１インチである。
【００６８】
図４ａに示されるように、正の内部端子（４０９）は、当該分野で周知の技術を使用して、正極に対して電気的に接続される。パワーセルの製造は、次いで、本明細書で説明された製造技術を使用して続行される。図４ｂは、上述された実施形態を更に明瞭にする目的で提示された図である。具体的に言うと、図４ｂは、逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態の断面を図表示したものである。とりわけ、図４ｂは、負の外部端子（すなわち蓋（４０１））を正の外部端子（すなわち缶（４０９））から電気的に隔てる働きをする絶縁ガスケット（４０３）の位置を示している。本実施形態では、電気的な隔離を実現する目的で、様々な材料を使用可能であると考えられる。
【００６９】
以上の記載は、本発明および現時点で好まれる実施形態を説明したものである。当業者ならば、本発明の実施に際して多数の変更および修正に思い至ると思われる。このような変更および修正は、以下の特許請求の範囲内に含まれる。
【００７０】
本明細書で挙げられた引用文献は、いずれも、その開示内容の全体を、引用によって本明細書に組み込まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態によるプロセスの流れを図表示したものである。
【図２】本発明の一実施形態によるプロセスの流れの更に図表示したものである。
【図３】巻き上げられる前のカソードおよびアノードを図表示した断面図である。
【図４ａ】逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態を図表示したものである。
【図４ｂ】逆極性パワーセルサブアセンブリの実施形態を図表示した断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
３０１，３０５…セパレータ
３０３，３０７…電極
３０９…巻き装置
４０１…負の外部端子（蓋）
４０３…絶縁ガスケット
４０５…負の内部端子
４０７…セルアセンブリ
４０９…正の内部端子
４１１…保持容器（缶）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電式パワーセルの製造方法であって、
第１の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有する第１のキャリアシートに亜鉛負極材料を加える工程と、
第２の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有する第２のキャリアシートにニッケル正極材料を加える工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極が複数のセパレータシートの間に層状に積み重ねられ、セルアセンブリが形成されるように、前記第１の電極の前記第１の平らな表面、前記第１の電極の前記第２の平らな表面、前記第２の電極の前記第１の平らな表面、および前記第２の電極の前記第２の平らな表面のそれぞれに沿って、前記複数のセパレータシートを設ける工程と、
第１端および第２端を有するセルアセンブリが形成され、かつ、前記第１の電極、前記第２前記電極、および前記セパレータシートが共にほぼ平行になるように、前記電極および前記セパレータシートを巻き上げる工程と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記負極のみが第１の内部端子と電気通信状態になるように、前記セルアセンブリの前記第１端に前記第１の内部端子を取り付ける工程と、
前記正極のみが第２の内部端子と電気通信状態になるように、前記セルアセンブリの前記第２端に前記第２の内部端子を取り付ける工程と、
前記セルアセンブリを保持容器に挿入する工程と、
前記セルアセンブリを内包する前記保持容器を電解質で満たす工程と、
前記電解質および前記セルアセンブリが周囲からほぼ隔てられるように、前記保持容器を密封する工程と、
を備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、更に、
定められた充電曲線にしたがって前記充電式パワーセルを初充電する工程と、
前記充電式パワーセルが充電／放電の相似性に応じてグループ分けされるように、前記充電式パワーセルを個別にテストする工程と、
を備える方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、分散剤によって粒子の凝集を低減させられるように、ＺｎＯ、Ｂｉ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＨＥＣ、および分散剤で構成され、前記正極材料は、Ｎｉ（ＯＨ）2、ＺｎＯ、ＣｏＯ、およびＣＭＣで構成される、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、分散剤によって粒子の凝集を低減させられるように、ＣａＺｎ（ＯＨ）4、ＢｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＨＥＣ、および分散剤で構成され、前記正極材料は、Ｎｉ（ＯＨ）2、ＺｎＯ、ＣｏＯ、およびＣＭＣで構成される、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のキャリアシートは、銅または銅合金で構成される、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記第１のキャリアシートは、銅または銅合金のパンチメタルで構成される、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、
前記第１のキャリアシートは、銅または銅合金のエキスパンデッドメタルで構成される、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
前記第２のキャリアシートは、ニッケルで構成される、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、スラリまたはペーストである、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記正極材料は、スラリまたはペーストである、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記セパレータシートは、少なくとも１枚のナイロン層と少なくとも１枚の微多孔性ポリオレフィン層とを含む少なくとも４枚の層である、方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、最大で約１重量パーセントの炭酸塩を有する酸化亜鉛である、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記負極材料は、更に、前記酸化亜鉛の凝集を低減させるための分散剤を含む、方法。
【請求項１５】
請求項２に記載の方法であって、
前記第１の端子および前記第２の端子は、スポット溶接、レーザ溶接、音波溶接、およびはんだ付けのうちの任意の技術によって前記セルアセンブリに取り付けられる、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記第１の端子は、レーザ溶接によって前記負極に取り付けられ、前記レーザは、十字を描くパターンで、または溶接部の数を最大にする他の追尾方式で、前記第１の端子上を移動する、方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記負極を少なくとも約３００度で過熱する工程を備える方法。
【請求項１８】
充電式パワーセルであって、
第１の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有するアノードキャリアシートに加えられた亜鉛負極材料と、
第２の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有するカソードキャリアシートに加えられたニッケル正極材料と、
複数の半透性誘電体シートであって、前記第１の電極および前記第２の電極が前記複数の半透性誘電体シートの間に層状に積み重ねられるように、前記第１の電極の前記第１の平らな表面、前記第１の電極の前記第２の平らな表面、前記第２の電極の前記第１の平らな表面、および前記第２の電極の前記第２の平らな表面のそれぞれに沿って設けられ、更に、セルアセンブリが形成されるように巻き上げられた、複数の半透性誘電体シートと、
第１の端子であって、前記第１の電極が前記第１の端子のみと電気通信状態になるように前記セルアセンブリの第１端に取り付けられた、第１の端子と、
第２の端子であって、前記第２の電極が前記第２の端子のみと電気通信状態になるように前記セルアセンブリの第２端に取り付けられた、第２の端子と、
ほぼ円筒型の保持容器と、
ホウ酸塩と、フッ化物と、水酸化物とを含む電解質溶液と、
前記電解質および前記セルアセンブリが周囲からほぼ隔てられるように、前記保持容器の両端に設けられた複数の密封端子と、
を備える充電式パワーセル。
【請求項１９】
請求項１８に記載の充電式パワーセルであって、
前記複数の密封端子は、上部端子および下部端子である、充電式パワーセル。
【請求項２０】
請求項１９に記載の充電式パワーセルであって、
前記上部端子は正端子であり、前記底部端子は負端子である、充電式パワーセル。
【請求項２１】
請求項１９に記載の充電式パワーセルであって、
前記上部端子は負端子であり、前記底部端子は正端子である、充電式パワーセル。
【請求項２２】
請求項２１に記載の充電式パワーセルであって、
前記底部端子は前記ほぼ円筒型の保持容器である、充電式パワーセル。
【請求項１】
充電式パワーセルの製造方法であって、
第１の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有する第１のキャリアシートに亜鉛負極材料を加える工程と、
第２の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有する第２のキャリアシートにニッケル正極材料を加える工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極が複数のセパレータシートの間に層状に積み重ねられ、セルアセンブリが形成されるように、前記第１の電極の前記第１の平らな表面、前記第１の電極の前記第２の平らな表面、前記第２の電極の前記第１の平らな表面、および前記第２の電極の前記第２の平らな表面のそれぞれに沿って、前記複数のセパレータシートを設ける工程と、
第１端および第２端を有するセルアセンブリが形成され、かつ、前記第１の電極、前記第２前記電極、および前記セパレータシートが共にほぼ平行になるように、前記電極および前記セパレータシートを巻き上げる工程と
を備える方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記負極のみが第１の内部端子と電気通信状態になるように、前記セルアセンブリの前記第１端に前記第１の内部端子を取り付ける工程と、
前記正極のみが第２の内部端子と電気通信状態になるように、前記セルアセンブリの前記第２端に前記第２の内部端子を取り付ける工程と、
前記セルアセンブリを保持容器に挿入する工程と、
前記セルアセンブリを内包する前記保持容器を電解質で満たす工程と、
前記電解質および前記セルアセンブリが周囲からほぼ隔てられるように、前記保持容器を密封する工程と、
を備える方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、更に、
定められた充電曲線にしたがって前記充電式パワーセルを初充電する工程と、
前記充電式パワーセルが充電／放電の相似性に応じてグループ分けされるように、前記充電式パワーセルを個別にテストする工程と、
を備える方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、分散剤によって粒子の凝集を低減させられるように、ＺｎＯ、Ｂｉ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＨＥＣ、および分散剤で構成され、前記正極材料は、Ｎｉ（ＯＨ）2、ＺｎＯ、ＣｏＯ、およびＣＭＣで構成される、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、分散剤によって粒子の凝集を低減させられるように、ＣａＺｎ（ＯＨ）4、ＢｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＨＥＣ、および分散剤で構成され、前記正極材料は、Ｎｉ（ＯＨ）2、ＺｎＯ、ＣｏＯ、およびＣＭＣで構成される、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１のキャリアシートは、銅または銅合金で構成される、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記第１のキャリアシートは、銅または銅合金のパンチメタルで構成される、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、
前記第１のキャリアシートは、銅または銅合金のエキスパンデッドメタルで構成される、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、
前記第２のキャリアシートは、ニッケルで構成される、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、スラリまたはペーストである、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
前記正極材料は、スラリまたはペーストである、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
前記セパレータシートは、少なくとも１枚のナイロン層と少なくとも１枚の微多孔性ポリオレフィン層とを含む少なくとも４枚の層である、方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
前記負極材料は、最大で約１重量パーセントの炭酸塩を有する酸化亜鉛である、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記負極材料は、更に、前記酸化亜鉛の凝集を低減させるための分散剤を含む、方法。
【請求項１５】
請求項２に記載の方法であって、
前記第１の端子および前記第２の端子は、スポット溶接、レーザ溶接、音波溶接、およびはんだ付けのうちの任意の技術によって前記セルアセンブリに取り付けられる、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記第１の端子は、レーザ溶接によって前記負極に取り付けられ、前記レーザは、十字を描くパターンで、または溶接部の数を最大にする他の追尾方式で、前記第１の端子上を移動する、方法。
【請求項１７】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記負極を少なくとも約３００度で過熱する工程を備える方法。
【請求項１８】
充電式パワーセルであって、
第１の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有するアノードキャリアシートに加えられた亜鉛負極材料と、
第２の電極が形成されるように、対向する第１および第２のほぼ平らな表面を有するカソードキャリアシートに加えられたニッケル正極材料と、
複数の半透性誘電体シートであって、前記第１の電極および前記第２の電極が前記複数の半透性誘電体シートの間に層状に積み重ねられるように、前記第１の電極の前記第１の平らな表面、前記第１の電極の前記第２の平らな表面、前記第２の電極の前記第１の平らな表面、および前記第２の電極の前記第２の平らな表面のそれぞれに沿って設けられ、更に、セルアセンブリが形成されるように巻き上げられた、複数の半透性誘電体シートと、
第１の端子であって、前記第１の電極が前記第１の端子のみと電気通信状態になるように前記セルアセンブリの第１端に取り付けられた、第１の端子と、
第２の端子であって、前記第２の電極が前記第２の端子のみと電気通信状態になるように前記セルアセンブリの第２端に取り付けられた、第２の端子と、
ほぼ円筒型の保持容器と、
ホウ酸塩と、フッ化物と、水酸化物とを含む電解質溶液と、
前記電解質および前記セルアセンブリが周囲からほぼ隔てられるように、前記保持容器の両端に設けられた複数の密封端子と、
を備える充電式パワーセル。
【請求項１９】
請求項１８に記載の充電式パワーセルであって、
前記複数の密封端子は、上部端子および下部端子である、充電式パワーセル。
【請求項２０】
請求項１９に記載の充電式パワーセルであって、
前記上部端子は正端子であり、前記底部端子は負端子である、充電式パワーセル。
【請求項２１】
請求項１９に記載の充電式パワーセルであって、
前記上部端子は負端子であり、前記底部端子は正端子である、充電式パワーセル。
【請求項２２】
請求項２１に記載の充電式パワーセルであって、
前記底部端子は前記ほぼ円筒型の保持容器である、充電式パワーセル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【公表番号】特表２００７−５０３１００（Ｐ２００７−５０３１００Ａ）
【公表日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２４０２０（Ｐ２００６−５２４０２０）
【出願日】平成１６年８月１７日（２００４．８．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２６８５９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２０３５３
【国際公開日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【出願人】（５０４２３７３３７）パワージェニックス システムズ， インコーポレーテッド (9)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年２月１５日（２００７．２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月１７日（２００４．８．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２６８５９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２０３５３
【国際公開日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【出願人】（５０４２３７３３７）パワージェニックス システムズ， インコーポレーテッド (9)
【Ｆターム（参考）】
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