密封電気化学セルのための筐体
【課題】セル容器の開放端を密封するための集電体アセンブリを有する電気化学セルの提供。
【解決手段】集電体アセンブリは、それぞれ中央に開口を持つ保持装置と周辺フランジとを有する接触ばねとを含む。保持装置と接触ばねのフランジとの間に配置された圧力解放通気部材は、正常な条件下では保持装置と接触ばねにある開口を密封し、内部圧力が規定の限度を超えたとき破れてセル内の圧力を解放する。
【解決手段】集電体アセンブリは、それぞれ中央に開口を持つ保持装置と周辺フランジとを有する接触ばねとを含む。保持装置と接触ばねのフランジとの間に配置された圧力解放通気部材は、正常な条件下では保持装置と接触ばねにある開口を密封し、内部圧力が規定の限度を超えたとき破れてセル内の圧力を解放する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学セルを密封するための容器と集電体アセンブリとを含む筐体を有する電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の電源として使用される電池は大量のエネルギ―を蓄えることができる。電池は１個あるいは複数の電気化学セルを含むことができる。電気化学セル内部の圧力は、内部温度の変化、放電の間の内部電極体積の増加、充電可能電池の場合の充電および放電の間の隙間の発生により、増加する。このような電気化学セルは、一般に内部圧力の形成を制限するため、セルからガスを解放あるいは放出するための機構を含む。
【０００３】
電気化学セルは開放端のある容器と、電気化学セルを閉じるために容器の開放端に配置した集電体アセンブリとを有することができる。この集電体アセンブリは過剰圧力を解放する安全圧力解放通気機構を含むことができる。
【０００４】
電気化学セルにはいろいろな集電体アセンブリと圧力解放通気設計が用いられている。たとえば、再び閉じることができる圧力解放弁を、ニッケル-カドミウムおよびニッケル-金属水素化物電池のような、充電式水性電解電池に見出すことができる。アルカリ亜鉛-二酸化マンガン電池のような一次（充電できない）水性セルは、内部圧力が規定の限度を超過したとき破れるような弱い断面を含む比較的大きい表面積のプラスチックシールを持つ集電体アセンブリを用いている。リチウム金属およびリチウム挿入材料を含む電極を使ったセルのような、水性でない一次および充電式電気化学セルは、一般に蒸気の透過を最少にするための薄い壁のプラスチック部材と、内部圧力を非常に速く減少させることができる圧力解放弁を持つ集電体アセンブリを有する。
【０００５】
従来の集電体アセンブリおよび圧力解放設計の例は次の文献に見られる。特許文献１(issued to Rods et al. October 16, 1990)、特許文献２(issued to Chancy, Jr. et al. May 14, 1991)、特許文献３(issued to Daio et al. October 20, 1992)、特許文献４(issued to Kaschmitter et al. May 11, 1997)、特許文献５(issued to Sato et al. October 14, 1997)、特許文献６(issued to Mayer et al, April 21, 1998)および特許文献７(issued to Kameishi et al. June 16, 1998)。これらの例はそれぞれ大きい集電体アセンブリ体積あるいは寸法的な制約があって、有効な内容物のセル内の体積が制限される、あるいは部品数が多いためにセルの値段が高くなりまた製造が難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第4,963,446号
【特許文献２】米国特許第5,015,542号
【特許文献３】米国特許第5,156,930号
【特許文献４】米国特許第5,609,972号
【特許文献５】米国特許第5,677,076号
【特許文献６】米国特許第5,741,606号
【特許文献７】米国特許第5,766,790号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、正電極と負電極および電極間のセパレータを備えた電極アセンブリ、電解質および筐体を有する電気化学セルに関する。この筐体は容器および集電体アセンブリを含む。集電体アセンブリは、電気化学セルの内部圧力が規定の解放圧力に達したとき、破裂することができる圧力解放通気部材を有する。この集電体アセンブリ内の部品の数と配置は小さい体積しか要せず、したがって有効な内容物のために大きな体積を取ることができ、また経済的で信頼性の高いセルを製造することができる。
【０００８】
本発明の１つの実施例において、集電体アセンブリは保持装置と接触ばねを含み、それぞれが電気化学セル内部の圧力解放チャネルに沿った開口を規定する。集電体アセンブリはまた、保持装置と接触ばねとの間に配置されまた圧力解放チャネルを閉じるための圧力解放通気部材を含む。電気化学セル内の圧力が少なくとも規定の解放圧力の大きさのとき、圧力解放通気部材が破裂してセル内の物質を保持装置の開口を通して逃がす。
【０００９】
本発明の他の実施例において、保持装置と接触ばねの周辺フランジが圧力解放通気部材と協力して圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を形成する。この保持装置は、たとえば保持装置内のクリンプを経由して接触ばねと圧力解放通気部材に圧縮力を加えることができる。これに加えてこの接触ばねはさらに、圧力解放通気部材に加えられている圧縮力が減じても圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を維持するために、接触ばねの周辺フランジ内に連続的な突起を含むことができる。さらに圧力解放通気部材は電気的に導電性の保持装置に熱溶着、超音波溶接、あるいは接着剤を用いて物理的に結合することができる。
【００１０】
他の実施例において、集電体アセンブリは圧力解放通気部材と保持装置との間に密封手段を備える。
【００１１】
この圧力解放通気部材は少なくとも導電性あるいは非導電性の組成から成る１つの層を含むことができる。圧力解放通気部材には金属、高分子化合物あるいはこれらの複合材料を含むことができる。圧力解放通気部材の構造および組成は電解質の蒸気透過率に基づいて、望ましくセルの重量減少を低くできる。圧力解放通気部材の組成および厚さはまた圧力解放通気部材が破裂するように規定したあるいは望ましい圧力に基づくことができる。ある実施例では、圧力解放通気部材が、ポリエチレンテレフタレート/ポリエチレン/アルミニウム/ポリエチレン/低密度ポリエチレンの５層の積層品で、厚さが約0.0254 mm（0.001 インチ）から約0.254 mm（0.010 インチ） であり、解放圧力が室温（20℃ から25℃）において約14.1 kg/cm2 (200 lbs/in2) から約42.3 kg/cm2 (600 lbs/in2) である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例による電気化学セルの断面図である。
【図２】従来技術による電気化学セルの上部と集電体アセンブリの断面図である。
【図３】本発明の実施例による電気化学セルの上部と集電体アセンブリの断面図である。
【図４】本発明のある実施例による電気化学セルの上部と集電体アセンブリの断面図である。
【図５】蒸気透過率試験に使用する試験膜の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の実施例による円筒形の電気化学セル１００を示す。本発明の電気化学セル１００は容器１０４と集電体アセンブリ１０６とを含む筐体１０２を有する。容器１０４は閉じた底部と、集電体アセンブリ１０６によって閉じられている開いた上端を有する。容器１０４はまた容器１０４の上部と底部を分離するビード１０７を有する。容器１０４の底部の中に配置されているのは、負電極あるいはアノード１１０、正電極あるいはカソード１１２、およびアノード１１０とカソード１１２との間に配置されたセパレータ１１４を含む電極アセンブリ１０８である。図１に示す実施例において、アノード１１０、カソード１１２およびセパレータ１１４はそれぞれ薄いシートで一緒に螺旋状に巻かれており、これはまた「ジェリーロール」設計として知られている。電気化学セル１００は円筒形であるが、技術に詳しい専門家には本発明の別の実施例が他の形状のセルおよび電極を含むことが明らかである。容器１０４はさまざまな幾何学的形状、たとえば角柱および長方体、の１つでもよい。
【００１４】
電気化学セルがリチウム電気化学セルの場合、アノード１１０はリチウム金属を含み、これはシートあるいは箔の形でもよい。リチウムセル用のカソード１１２は１つあるいは複数の、通常は粒子状の活性物質を含むことができる。どのような適切な活性カソード物質を使ってもよく、たとえばFeS2、MnO2、CFx および（CF）nを含むことができる。適当なセパレータ材料は電気的に非電導性であるが、電解質へイオン透過性である。リチウム電気化学セルに使用される電解質は一般的に有機溶媒を含む。アノード１１０、カソード１１２、セパレータ１１４およびリチウムならびにいろいろなその他の電気化学セルの電解質に関するさらなる詳細を以下に説明する。
【００１５】
容器１０４は底が閉じている金属缶でもよいが、最初両端が開いている金属管もまた使用できる。セル容器１０４は、容器１０４の外側を腐食から保護しあるいは所望の外観を提供するために、任意で少なくとも外側をたとえばニッケルで鍍金した鋼鉄でもよい。また鋼鉄のタイプは容器１０４が形成される方法に部分的に依存する。たとえば引き抜き加工を使って作られる容器は、拡散焼きなましをした、ASTM 9から11の結晶粒度で、僅かに細長いグレイン形状に等軸化された、低炭素のSAE 1006あるいは同等のアルミキルド鉄鋼で作ることができる。その他の材料も特別な要求に合わせて使用できる。たとえば、容器１０４がカソード１１２に電気的接触をしている、セルの開放電圧が約３ボルトあるいはそれより大きい、あるいはセルが充電可能であるような電気化学セル１００に対して、鋼鉄よりももっと耐腐食性のある材料が望まれる。このような材料にはステンレス鋼、ニッケル鍍金をしたステンレス鋼、ニッケルクラッドステンレス鋼、アルミニウムおよびこれらの合金を含むが、これに限定されない。
【００１６】
筐体１０２の上部に配置された集電体アセンブリ１０６は、正の接触端子１１６、開口を規定する保持装置１１８、圧力解放通気部材１２０、開口を規定する接触ばね１２２、およびこれらの部品と容器１０４との間に配置されたガスケット１２４を含むことができる。集電体アセンブリ１０６は随意的に、開口を規定し、保持装置１１８と正の接触端子１１６との間に配置された正温度係数素子（PTC）１２６を含むことができる。容器１０４の上に突き出た正の接触端子１１６は、内側に折り曲げられた容器１０４の縁１２８とガスケット１２４によってその場所に保持される。
【００１７】
電極アセンブリ１０８のカソード１１２は接触ばね１２２によって集電体アセンブリ１０６に電気的に接続されている。接触ばね１２２は、電極アセンブリ１０８の頂上に配置された集電体１３６の上端に対して偏らせられている少なくとも１つのタブ１３４を有し得る。集電体１３６は電気的に伝導性の回路基板であり、例えば金属回路基板、そこにカソード材料が配置され、カソード材料およびセパレータ１１４を超えて拡大する。集電体１３６は、セル内で安定する限り、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金およびその他の合金、から成り得る。集電体１３６は薄いシート、箔、スクリーン、エキスパンデッドメタルの形状であり得る。接触ばね１２２は、例えば、形状記憶合金を含むばね様の特性を有する1つ以上の伝導性材料からなり得る。組立中、集電アセンブリ１０６が容器１０４内に配置される際、集電体１３６は、力に対して弾性のある組成を有する、接触ばね１２２のタブ１３４を押しつける。この助力により、タブ１３４および集電体１３６の間の接触が確保される。接触ばね１２２は集電体１３６との接触のため１つ以上のタブ１３４を有することができる。いくつかの実施例において、タブ１３４と集電体との電気的接触は、集電体１３６に対してタブ１３４により加えられるばね様の力により維持される。他の実施例において、タブ１３４は集電体１３６に溶接することができる。また別の実施例ではタブ１３４は集電体１３６に、タブ１３４と集電体１３６の両方に溶接されている狭い金属片あるいは線のような電気的に導電性の線で接続されている。溶接接続は時によって、特に極端な取扱い、保管および使用条件のもとではさらに信頼性が高いが、圧力接続は追加の組立作業や設備を必要としない。
【００１８】
アノード１１０は電気的に容器１０４の内部表面に金属アノードリード線（示されていない）により接続されており、電極アセンブリ１０８は、それ以外はセパレータ１１４の外包みと、集電体１３６が容器１０４と接触するのを防止するため電極アセンブリ１０８の上部周辺に配置された絶縁体１３８とによって、容器１０４から物理的に隔離されている。カソード１１２の底部の縁と容器１０４の底部との接触は、内側に畳まれたセパレータ１１４の延長部分と容器１０４の底部に配置された電気的絶縁性の円板（示されていない）とによって防止されている。
【００１９】
電気化学セル１００の正常な動作の間、電気装置（示されていない）は、容器１０４の一方の端にある集電体アセンブリ１０６の正の接触端子１１６と、閉じた端にある負の接触端子とに接触することができる。導電経路がこのようにして負の端子あるいは容器１０４から、アノードリード線、電極アセンブリ１０８，集電体１３６を経由して集電体アセンブリ１０６まで確立される。集電体アセンブリ１０６を通る電流経路は、接触ばね１２２のタブ１３４を通り、圧力解放通気部材１２０の周りの保持装置１１８を横切り、正の接触端子１１６に至る。保持装置１１８は、金属、バイメタルおよび３層積層材料のような１つあるいは複数の材料で作ることができる。たとえば保持装置１１８はニッケル鍍金鋼あるいはステンレス鋼、あるいは鋼板、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケルおよびこれらの合金を組み合わせたクラッド金属で作ることができる。
【００２０】
正の接触端子１１６は周囲環境中の水による腐食に対する良好な耐性と良好な電気伝導性を有する必要がある。正の接触端子１１６はニッケル鍍金した冷間圧延鋼板あるいは接触端子を成形したあとニッケル鍍金した鋼板のような導電性材料で作ることができる。使用材料はまた正の接触端子１１６の形状の複雑さにも依存する。 正の接触端子１１６の形状が複雑な場合、金属成形が容易で所望の耐食性を提供するために、たとえばグレインサイズがASTM 8-9のタイプ304ソフトアニールステンレス鋼を使うことができる。成形したあと正の接触端子１１６はまたいろいろな金属、たとえばニッケル、で鍍金することができる。
【００２１】
ガスケット１２４は容器１０４の上部に対する集電体アセンブリ１０６の密封を提供する。ガスケット１２４は、ビード１０７の下で容器１０４の下部から集電体１３６を物理的に隔離している絶縁体１３８から、容器１０４の上部の縁１２８まで、延ばすことができる。容器１０４の上部の輪郭は集電体アセンブリ１０６に対して取付面１４０を提供するビード１０７を含む。ガスケット１２４は集電体アセンブリ１０６の導電性部品を容器１０４の上部から物理的に隔離し、また腐食とこれらの部品の間に電解質が漏れるのを防止するため集電体アセンブリ１０６の部品の周辺の縁を密封する。ガスケット１２４は、集電体アセンブリ１０６を容器１０４に挿入し容器１０４の上端１２８とガスケット１２４を折り曲げる際に、ガスケット１２４を圧縮してガスケット１２４と容器１０４との間ならびにガスケット１２４と集電体アセンブリ１０６の他の部品の界面との間に密封が作れるような大きさである。
【００２２】
ガスケット１２４は、セルへの水の侵入と電気化学セル１００からの電解質の損失を最少にするため、圧縮密封を形成でき、また低い蒸気透過率（VTR）を有するような組成の材料で作ることができる。ガスケット１２４は高分子化合物組成、たとえば熱可塑性プラスチックあるいは熱硬化性高分子化合物で作ることができ、その組成はアノード１１０、カソード１１２および電気化学セル１００に使用される電解質に一部依存する。リチウムあるいはリチウムイオンセルのような非水性セル用のガスケット１２４に使用できる材料の例は、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、四フッ化物-パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフタルアミドおよびこれらの混合物を含むがこれに限定されない。使用できる適当なポリプロピレンの１つはBasell Polyolephins, Wilmington, Delaware, USAのPRO-FAX （登録商標） 6524である。適当なポリフェニレンスルフィドの１つはBoedeker Plastics, Inc. Shiner, Texas, USAの TECHTRON（登録商標） PPS である。高分子化合物はまた主剤に加えて無機充填剤および有機化合物を含むことができる。
【００２３】
電気化学セル１００の圧力解放チャネル１４２は保持装置１１８の開口と接触ばね１２２の開口によって規定される。電気化学セル１００と圧力解放チャネル１４２の閉鎖は保持装置１１８と接触ばね１２２の開口を横切って配置された圧力解放通気部材１２０によって完成される。密封は圧力解放通気部材１２０の周辺部と少なくとも保持装置１１８と接触ばね１２２のいずれかとの間で形成される。この密封は界面における気密接触の結果であり、これはいくつかの実施例において圧力解放通気部材１２０の周辺部の圧縮により強化されている。随意的に接着剤あるいはシーリング剤を以下に説明するように界面に適用することができる。少なくとも保持装置１１８か接触ばね１２２のいずれかの周辺部はまた、容器１０４およびガスケット１２４の上縁が折り曲げられたとき、ガスケット１２４および集電体アセンブリ１０６のその他の部品の周辺部に加えられる軸力の結果として、圧力解放通気部材１２０の周辺部を密封する界面に対して偏らせるのに役立つ。保持装置１１８および接触ばね１２２の圧力解放通気部材を偏らせる特性は適切な材料と、接触ばね１２２およびそのための保持装置１１８の周辺フランジに沿った幾何学的形状とを用いて達成できる。
【００２４】
電気化学セル１００の通常の動作の間、化学反応によってセル内にガスが発生する。電気化学セル１００内に内部圧力が形成されるとき、圧力解放通気部材１２０によってその内容は基本的に電気化学セル１００内に留まる。内部圧力が形成されるにつれ圧力解放通気部材１２０は変形するかもしれない。しかし前記のように容器１０４が集電体アセンブリ１０６に及ぼす圧縮力が圧力解放通気部材１２０をその場所に留まらせ、ガスおよびセルの内容物が保持装置１１８の開口を通じて逃げることを防止する。電気化学セル１００内の集電体アセンブリ１０６の圧縮は、セル圧力が規定の解放圧力より小さいとき、圧力解放通気部材１２０が内側にクリープして保持装置１１８の開口と接触ばね１２２の開口との間の圧力解放チャネル１４２に開口を形成することを少なくとも防止することができる。
【００２５】
しかし電気化学セル１００内の圧力が少なくとも規定の解放圧力の大きさのとき、圧力により圧力解放通気部材１２０が破裂してガスあるいは液体またはその両方の形態のセル内の物質を保持装置１１８の開口を通して逃がす。セル内の物質は正の接触端子１１６内にある１つあるいは複数の通気孔１３０を通って逃げることができる。規定の解放圧力は電気化学セル１００の化学物質のタイプおよび完全性によって、安全および環境要件の観点から変化し得る。たとえば、AAサイズあるいはAAAサイズのリチウム電池において、規定解放圧力、つまり圧力解放通気部材１２０が開口を、たとえば裂け目によって、作る圧力は室温で約10.5 kg/cm2 (150 lbs/in2) から約 42.3 kg/cm2 (600 lbs/in2) の範囲にあり、いくつかの実施例においては約14.1 kg/cm2 (200 lbs/in2) から約28.1 kg/cm2 (400 lbs/in2)である。圧力解放通気部材が破裂する圧力は、たとえば容器に開けた孔を通してセルに圧力を加えることにより規定できる。
【００２６】
前記のように電気化学セル１００は随意的に開口を規定し、また保持装置１１８と正の接触端子１１６との間に配置されたPTC素子１２６を含むことができる。 電気化学セル１００の通常の動作の間、電流はPTC素子１２６を通って流れる。電気化学セル１００の温度が異常に高いレベルに達した場合、PTC素子１２６の電気抵抗が増加し、電流を減少させる。このPTC素子１２６はセルが外部の短絡、異常充電および強制大放電のような電気の不正使用によって起こる連続的内部加熱および圧力形成を減速あるいは防止する。しかし内部圧力が継続して規定の解放圧力を形成した場合、この圧力により圧力解放通気部材１２０が破裂して、内部圧力が解放される。
【００２７】
保持装置１１８と接触ばね１２２との間に配置された圧力解放通気部材１２０は、少なくとも金属、高分子化合物、あるいはこれらの複合材料の組成の１層を含む。圧力解放通気部材１２０が異なる組成の２層あるいはそれより多い層を含むこともできる。たとえば１層目と異なる組成を持つ２層目を、圧力解放通気部材１２０を保持装置１１８あるいは接触ばね１２２に結合する目的で使用することができる。別の例において、１層目と異なる組成を持つ２層目と３層目を、圧力解放通気部材１２０を保持装置１１８と接触ばね１２２の両方に結合するために使用することができる。また２つあるいはそれより多い組成を持つ複数の層を動作特性、たとえば圧力解放通気部材１２０の強度および柔軟性、を調整するのに使用することができる。
【００２８】
圧力開放弁部材１２０への使用に適した組成は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、およびこれらの合金などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物のような高分子化合物材料を含むが、これに限定されない。圧力開放弁部材１２０に適した組成には、また金属で補強した高分子化合物ならびに金属あるいは高分子化合物あるいはその両方の単層あるいは多層の積層を含むことができる。たとえば単層には、本質的に水、二酸化炭素および電解質を透過させない金属、あるいは蒸気の透過を防ぐSiOxあるいはAl2Oxのような酸化物の層で被覆した、メタライズしていない高分子化合物の薄膜のような材料が使用可能である。圧力解放通気部材１２０はさらにたとえばポリウレタンを含む接着層およびたとえば低密度ポリオレフィンを含む熱封止可能な層を含むことができる。
【００２９】
その代わりに、集電体アセンブリ内の密封を強化するために、接着剤あるいはその他の種類のシーリング剤を圧力解放通気部材、保持装置あるいはその両方の部分に適用することができる。
【００３０】
組成に関係なく圧力解放通気部材１２０は、広範囲の周囲温度においてセル１００の重量減少率を低くするために、セル１００に含まれる電解質に対して化学的耐性があり、また低い蒸気透過率（VTR）を持つ必要がある。たとえば圧力解放通気部材１２０が蒸気透過に関して不浸透性の金属の場合、圧力解放通気部材１２０の厚み方向のVTRは本質的にゼロである。しかし圧力解放通気部材１２０は少なくとも１層の蒸気透過性の材料、たとえば高分子化合物材料、を前記のように含むことができ、これはたとえば圧力解放通気部材１２０と少なくとも保持装置１１８か接触ばね１２２のいずれかとの間の密封を達成するための接着剤あるいはゴム弾性層として機能できる。
【００３１】
本発明の実施例による圧力解放通気部材１２０の層の７５℃で測定したVTRは、約11.81 g・mm/(日mm2) {3000 g・mil /(日in2)}より小さく、いくつかの実施例では約0.1969 g mm/(日mm2) {50 g・mil/(日in2)}から約11.81 g・mm/(日mm2) {3000 g・mil /(日in2)}までの範囲にあり、別の実施例においては約0.3543 g・mm/(日mm2) {90 g mil /(日in2)}から約9.84 g・mm/(日 mm2) {2500 g・mil /(日in2)}まで、またさらに別の実施例では約0.3543 g mm/(日mm2) {90 g mil/(日in2)}から約 5.9g・mm/(日mm2) {l500 g・mil/ (日in2)}までである。VTRは電気化学セル１００に含まれている電解質の組成によって変化し、さらにVTRが所望の限度内にあるように選択可能な圧力解放通気部材１２０の蒸気透過層の組成によっても変化する。１層以上の材料を有する圧力解放通気部材とVTRを計算するための試験手順の詳細を以下に説明する。
【００３２】
規定の解放圧力、あるいは圧力解放通気部材１２０が破裂することを意図した圧力、は、その物理特性（たとえば強度）、その物理的寸法（たとえば厚さ）および保持装置１１８により規定される開口面積およびPTC素子１２６により規定される開口のいずれか小さい方、の関数である。保持装置１１８およびPTC素子１２６によって露出される圧力解放通気部材１２０の面積が大きいほど、電気化学セル１００の内部ガスが及ぼす全体的な圧力が大きくなるため、規定の解放圧力は低くなる。
【００３３】
圧力解放通気部材１２０の厚さは約0.254 mm (0.010 インチ)より薄くでき、いくつかの実施例において約0.0254 mm (0.001 インチ)から約0.127 mm (0.005 インチ)の範囲にあり、別の実施例におけるこの厚さは約0.0254 mm (0.001 インチ)から約0.05 mm (0.002 インチ)の範囲である。
圧力解放通気部材１２０の組成および厚さは技術に詳しい専門家が蒸気透過率（VTR）および規定した解放圧力要件を考慮して決定できる。
【００３４】
図２は従来技術による電気化学セル２００の上部の断面図である。この電気化学セル２００は、容器２０４の上部および底部を分離するビード２０７と集電体アセンブリ２０６によって閉じられている解放端とを有する容器２０４を含む筐体２０２を含む。集電体アセンブリ２０６は１個あるいは複数の通気孔２３０を有する正の接触端子２１６、ガスケット２２４，PTC素子２２６，セルカバー２４４、ブッシング２４６，通気球２４８および、容器２０４の底部にある電極アセンブリ（示されていない）から延びている集電体２３６と物理的接触をしている接触ばね２２２を含む。集電体２３６はその他にセパレータ２３８によって容器２０４から物理的に隔離されている。セルカバー２４４は、電気化学セル２００の内部で正の接触端子２１６から下の方に突き出ている通気井戸２５０を有する。この通気井戸２５０は、そこに形成され、通気球２４８および通気ブッシング２４６により密封されている通気開口２５２有し、通気ブッシング２４６が通気球２４８と通気井戸２５０の縦方向の壁との間に押しつけられるように通気球２４８および通気ブッシング２４６が配置される。電気化学セル２００の内部圧力が規定のレベルを超過すると、通気球２４８が、またある場合にはブッシング２４６と通気球２４８の両方が通気開口２５２から押し離され、少なくとも通気井戸２５０の一部から圧力の掛かったガスを電気化学セル２００の通気開口２５２および通気孔２３０を通って解放する。
【００３５】
図１に示す本発明の実施例を参照すると、電気化学セル１００の容器１０４の上部あるいは肩の部分の縦の高さh1は、図２における電気化学セル２００の容器２０４の上部の縦の高さh2よりも小さい。容器１０４の外側で容器１０４の上部からビード１０７の座面１４０まで測った肩の高さh1（図１）は、容器２０４の外側で容器２０４の上部からビード２０７の座面２４０まで測った肩の高さh2（図２）より小さい。図１に示す集電体アセンブリ１０６は、図２に示す従来技術による集電体アセンブリ２０６よりも縦の高さ、あるいは肩の高さが小さいので、電気化学セル１００の容器１０４の底部におけるより多くの体積に有効電極材料を入れることができる。圧力解放通気部材１２０（図１）は本質的に平たいので、通気井戸２５０（図２）を有するセルカバー２４４よりも縦の空間が少なくて済む。その結果、従来のAAサイズのリチウム/FeS2電気化学セル２００の上部は肩の高さh2が約3.175 mm（0.125インチ）であるが、本発明の実施例におけるAAサイズのリチウム/FeS2電気化学セル１００の上部は肩の高さh1が約2.667 mm（0.105インチ）あるいはそれより小さい。さらに集電体アセンブリ１０６（図１）は従来技術による集電体アセンブリ２０６（図２）よりも部品数が少なく、これによって組立、製造において容易さと柔軟性が大きくなり、コストを下げることができる。
【００３６】
図３は本発明の別の実施例による電気化学セル３００の上部と集電体アセンブリ３０６の断面図である。この電気化学セル３００は、容器３０４の上部および底部の間にあるビード３０７と集電体アセンブリ３０６によって閉じられている開放端とを有する容器３０４を含む筐体３０２を含む。集電体アセンブリ３０６は、１個あるいは複数の通気孔３３０を有する正の接触端子３１６、ガスケット３２４、開口を規定する保持装置３１８、圧力解放通気部材３２０、および開口を規定しまた容器３０４の底部において電極アセンブリ（示されていない）から延びている集電体３３６と物理的接触をしているタブ３３４を有する接触ばね３２２を含む。保持装置３１８の開口および接触ばね３２２の開口は圧力解放チャネル３４２に沿った開口を規定し、また保持装置３１８と接触ばね３２２との間の圧力解放チャネル３４２を閉じるために、圧力解放通気部材３２０が保持装置３１８および接触ばね３２２の開口を横切って配置されている。
【００３７】
随意的に集電体アセンブリ３０６は、開口を規定しまた保持装置３１８と正の接触端子３１６との間に配置されたPTC素子３２６を含むことができる。集電体アセンブリ３０６は図１の集電体アセンブリ１０６に似ているが、保持装置３１８はクリンプ３１９、たとえばC形状のクリンプ、を有し、これは接触ばね３２２と圧力解放通気部材３２０の両方に直接接触し、また圧力解放通気部材３２０の周辺部を保持装置３１８および接触ばね３２２に対して保持するために軸力を供給する。保持装置３１８のこのクリンプ３１９は、半径方向および軸方向の両方に大きな強度を有し、電気化学セル３００の内部に内部圧力が形成されたとき、圧力解放通気部材３２０を実質上その場所に保持するために、半径方向および軸方向の大きな圧縮密封力に耐えることができる。圧力が形成されると圧力解放通気部材３２０は変形するあるいは膨らむかもしれないが、セル内部圧力が規定した解放圧力より小さいとき、圧縮力が保持装置３１８と圧力解放通気部材３２０との間の密封を維持することができる。
【００３８】
さらに接触ばね３２２は、圧力解放通気部材３２０と保持装置３１８の周辺部間の密封を向上することができる突起部３２２を有する周辺フランジを含むことができる。接触ばね３２２の周辺フランジは連続的な環状のフランジで、突起部３３２はばね３２２の中央開口の周辺を完全に囲む連続的な突起であってよい。その代わりに、突起部３２２は不連続で、複数の別個の突起部から成ってもよい。突起部３３２は、保持装置３１８のクリンプ３１９が跳ね返りと応力緩和を受けて接触ばね３２２から離れる方向に動くとき、圧力解放通気部材３２０の周辺部に対して圧縮力を維持するのに役立つ形状を有する。図３の実施例に示す突起部３３２は、下向きと内側に曲げられた、接触ばね３２２の周辺フランジの縁である。しかし上向きに突出し、それとは異なる輪郭を有する突起部も可能である。
【００３９】
接触ばね３２２はまたガスケット３２４に対して半径方向の圧縮力を及ぼすことができる拡張壁３２３を有することができる。これは接触ばね３２２とガスケット３２４との間に追加の内部密封を提供することにより、容器３０４の解放端密封の効果を向上することができる。これはガスケット３２４と集電体アセンブリ３０６との間の密封界面の長さを増加させ、また圧力解放通気部材３２０の周辺部を電解質から守る。これはまた接触ばね３２２の周辺の縁および保持装置３１８の下の縁を電解質から遮蔽し、腐食を防止することができる。
【００４０】
その代わりに、図１のセル１００のように保持装置を座金の形状にすることもでき、また接触ばねの周辺フランジは、折り曲げられて保持装置の周辺部に被さる部分を含むこともできる。
【００４１】
図４は本発明の別の実施例による電気化学セル４００を示す。この電気化学セル４００は、容器４０４の上部および底部を分離するビード４０７と、集電体アセンブリ４０６によって閉じられている解放端とを有する容器４０４を含む筐体２０２を含む。集電体アセンブリ４０６は、１個あるいは複数の通気孔４３０を有する正の接触端子４１６、ガスケット４２４、開口を有する保持装置４１８、圧力解放通気部材４２０、および容器４０４の底部において電極アセンブリ（示されていない）から延びている集電体４３６と物理的接触をしているタブ４３４を有する接触ばね４２２を含む。随意的に集電体アセンブリ４０６は、保持装置４１８と正の接触端子４１６との間に配置されたＰＴＣ素子４２６を含むことができる。
【００４２】
電気化学セル３００（図３）の保持装置３１８のように、電気化学セル４００（図４）の保持装置４１８はクリンプ４１９、たとえばC形状をしたクリンプ、を有し、これは圧力解放通気部材４２０と接触ばね４２２に接触している。保持装置４１８、接触ばね４２２、および圧力解放通気部材４２０は協力して集電体アセンブリ４０６内で電解質の密封を形成している。接触ばね４２２は下の方に突き出たV形状の環状の溝の形をした突起部４３２を持つ周辺フランジを有するが、突起部４３２は別の形状大きさや輪郭も可能である。接触ばね４２２の周辺フランジは連続的な（たとえば環状）フランジであってもよく、突起部４３２は接触ばね４２２の周辺フランジに沿った連続的な（たとえば環状突起）であってもよい。
【００４３】
前記のように、電気化学セル４００の規定解放圧力、これは圧力解放通気部材４２０が破裂する圧力である、は保持装置４１８の開口のサイズを変えることによって調節できる。所定の材料の種類と厚さに対して、保持装置４１８により規定される開口を大きくすることにより、圧力解放通気部材４２０が同じ厚さと組成を持つと仮定すると、より大きな外側への力が圧力解放通気部材４２０に加わるので、電気化学セルの解放圧力を小さくすることができる。たとえば保持装置４１８により規定される開口は保持装置３１８（図３）により規定される開口より小さく、したがって電気化学セル４００の規定解放圧力は電気化学セル３００（図３）の規定解放圧力よりも大きい。前記はまたPTC素子４２６の開口は少なくとも保持装置４１８により規定される開口と同じ大きさであることを仮定している。
【００４４】
別の実施例において、電気化学セル４００（図４）は、ガスケット４２４に追加して随意的な内部ガスケットを含むことができる集電体アセンブリ４０６を有することができる。この内部ガスケットは、圧力解放通気部材４２０と少なくとも保持装置４１８か接触ばね４２２のいずれかとの間に配置され、電解質密封を提供する。この内部ガスケットは、集電体アセンブリ４０６が容器４０４中に配置されるとき、圧力解放通気部材４２０の周囲の金属部品に対する密封の効果を増すことができる。この内部ガスケットは、ガスケット１２４（図１）に関して前記説明したいろいろな材料、たとえばゴム弾性材料、の１つから作ることができ、接着結合密封を提供するために接着剤で被覆した材料を使うことができる。この内部ガスケットはC形状の輪郭をし、保持装置４１８と接触ばね４２２および圧力解放通気部材４２０の両方との間に配置することができるが、この内部ガスケットはいろいろな形状を持つことができる。たとえばこの内部ガスケットは、保持装置４１８と圧力解放通気部材４２０の周辺部の上面との間、圧力解放通気部材４２０と接触ばね４２２の周辺部の上面との間、あるいはこれらの位置の両方に配置された実質的に平らな座金であってもよい。この内部ガスケットはまた、接触ばね４２２と保持装置４１８との間に電気的接触があるようにして、内部ガスケットの縦の壁を圧力解放通気部材４２０と接触ばね４２２の周辺部外側縁の周りに配置した、L形状で、直立したあるいは逆転した位置であってもよい。このようなL形状ならびにC形状の構成は圧力解放通気部材４２０の周辺部分から電解質を密封する。同様の内部ガスケットをそれぞれ図１および図３に示す電気化学セル１００および３００の代替の実施例ならびにその他の実施例に含むことができる。
【００４５】
セル４００において圧力解放通気部材４２０は第１の層４２０a、第２の層４２０ｂおよび第３の層４２０ｃを含む。たとえば第１の層４２０ａと保持装置４１８との間に配置された第２の層４２０ｂ、および第１の層４２０ａと接触ばね４２２との間に配置された第３の層４２０ｃは、圧力解放通気部材４２０を保持装置４１８および接触ばね４２２に対して密封するための接着層あるいは密封可能な層として機能することができる。どの実施例においても圧力解放通気部材４２０は、保持装置４１８あるいは接触ばね４２２あるいはその両方にいろいろな方法によって、たとえば接着剤結合、スポット溶接結合、超音波溶接あるいはその他の溶接および技術に詳しい専門家に知られている取付方法によって、結合することができる。圧力解放通気部材４２０を、接着および熱密封可能材料が不要なように、機械的にその場所に保持することもまた可能である。第２の層４２０ｂおよび第３の層４２０ｃはまた組立の際の第１の層４２０ａの擦傷あるいは破損を防止するための保護被膜として機能する。
【００４６】
前記のように電気化学セル１００（図１）に関して、圧力解放通気部材１２０（図１，３）および４２０（図４）は少なくとも金属、高分子化合物、およびこれらの複合材料を含む組成の１層を含むことができる。圧力解放通気部材４２０に対して使用できる適当な３層積層の１つは、Oshkosh, Wisconsin, USAのCurwoodからLIQUIFLEX（登録商標） Grade 05396 35C-501Cとして入手できる、PET/アルミニウム/EAA共重合体である。適当な５層積層の１つは、Columbus, Georgia, USAのLudlow Coated ProductsからBF-48として入手できるPET/PE/アルミニウム/PE/LLDPEであるが、この会社はPrinceton, New Jersey, USAのTyco International, Ltd.の完全子会社である。
【００４７】
前記のように圧力解放通気部材１２０（図１）、３２０（図３）および４２０（図４）のどの透過性層のVTR範囲もASTM E96-80（材料の水蒸気透過に対する標準試験法）から適用された方法を使って決定することができる。圧力解放通気部材、たとえば圧力解放通気部材１２０、３２０、４２０、の透過性層の組成を持つ試験膜５０１（図５）を、セルで使用される電解質を8 ml だけ含む直径25 ml 高さ54 mmで15 ml ビン（たとえばWheaton Serum Bottle、直径25 mm x 高さ54 mm、Cat. No. 06-4061D）の上部に置く。通気膜５０１は、壁５０３，ハブ５０５および試験面５０７を有し、ビンに対して密封を提供する大きさである。壁５０３の外径は19．56 mmで、壁５０３の内径は14．33である。ハブ５０５の直径は3.23 mmで、試験面５０７の下の長さは1．91 mmである。試験面５０７の厚さは0．508 mmで、壁５０３とハブ５０５との間の環状面である試験面の面積は1．529 cm2である。真空グリースをビンの口に適用し、中央に15．88 mmの穴を有するシール（たとえばWheaton Aluminum Seal Cat. No. 060405-15）を試験膜の上に置き、試験膜５０１が試験中にビンに密封されているようにビンの上にしっかりと折り曲げる。密封したビンの重量を量り、ビンを75℃で保管し、規定の試験期間内で一定の間隔で重量を量る（たとえば６ヶ月に対して毎月、２週間に対して毎日など）。試験期間にわたる重量の変化を決定し、最初の実験的VTRを計算する。密封した空のビンについて前記と同じ試験を行い、同じ一定間隔と試験期間について重量の変化を決定し、２番目の実験的VTRを計算する。平均総重量損失を用いて最初と２番目のそれぞれの実験的VTRを計算する。最後に空のビンについて行った試験に対して計算した２番目の実験的VTRを、電解質を含むビンについて行った試験に対して計算した最初の実験的ＶＴＲから差し引き、試験膜のVTRを得る。
【００４８】
本発明の実施例における電極アセンブリおよび電解質に使用できる材料は、図１，３，および４で前記説明した実施例のものを含むがこれに限定されず、以下に説明する。リチウム電気化学セルのアノードはリチウム金属を含み、しばしばシートあるいは箔の形状である。リチウムの組成は常に純度は高いものの、いろいろである。このリチウムは所望のセルの電気的性能を提供するために、アルミニウムのような他の金属との合金でもよい。リチウムイオンセル用のアノードは１つあるいは複数のリチウム挿間可能な材料を含む。挿間可能な物質とは、その格子構造の中にリチウムイオンを挿入したり引き出したりできる材料を意味する。適当な材料の例には、グラファイト、中間相炭素および非晶質炭素またはそのいずれかのような炭素；ニッケル、コバルトおよびマンガンのような遷移金属酸化物；たとえば鉄、モリブデン、銅およびチタンの硫化物を含む遷移金属硫化物；およびたとえば珪素および錫の酸化物を含む非晶質金属酸化物を含むがこれに限定されない。これらの材料は一般的に粒子状で、所望の形状に成形される。
【００４９】
リチウムセル用のカソードは１つあるいは複数の、通常は粒子状の活性物質を含む。適切なカソード材料ならどれでも使用でき、たとえばFeS2、MnO2、CFx および(CF)n を含むことができる。リチウムイオンセル用のカソードは１つあるいは複数のリチウム挿間したあるいはリチウム挿間可能な材料を含み、通常は粒子状である。例にはバナジウムおよびタングステンのような金属酸化物；リチウム化した遷移金属酸化物、たとえばニッケル、コバルトおよびマンガン；リチウム化した硫化物、たとえば鉄、モリブデン、銅およびチタンの硫化物、およびリチウム化した炭素を含む。
【００５０】
適当なセパレータ材料はイオン透過性で電気的に非導電性である。適当なセパレータの例には、ポリプロピレン、ポリエチレンおよび超高分子量ポリエチレンのような材料でできた微孔性の膜を含む。Li/FeS2セルに適当なセパレータ材料は、CELGARD（登録商標） 2400 微孔性ポリプロピレン膜としてCelgard Inc., Charlotte, North Carolina, USAから入手でき、またSetella F20DHI微孔性ポリエチレン膜としてExxon Mobil Chemical Company of Macedonia, New York, USA から入手できる。固体電解質あるいは高分子化合物電解質の層もまたセパレータとして使用できる。
【００５１】
リチウムセルおよびリチウムイオンセル用の電解質は非水性の電解質で、水を混入物質としてごく微量にしか含まず、たとえば重量で約500 ppmより少ない。適当な非水性電解質は有機溶媒に溶けた１つあるいは複数の電解質塩を含む。アノードおよびカソードの活性材料および所望のセル性能に応じてどのような適当な塩も使用できる。例には臭化リチウム、過塩素酸リチウム、ヘクサフルオロリン酸リチウム、ヘクサフルオロリン酸カリウム、ヘクサフルオロアルソン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムおよびヨウ化リチウムを含む。適当な有機溶媒には下記の１つあるいは複数を含む：炭酸ジメチル；炭酸ジエチル；炭酸ジプロピル；炭酸メチルエチル；炭酸エチレン；炭酸プロピレン；1,2-ブチレンカーボネート；2,3-ブチレンカーボネート；メタフォルメート；ガンマブチロラクトン；スルホラン；アセトニトリル；3,5-ジメチルイソオキサゾール；n,n-ジメチルホルムアミド；およびエーテル。この塩と溶媒との組合せは所望の温度範囲にわたってセルの放電要件を満たすために、充分な電解質伝導度および電気的伝導度を提供する必要がある。エーテル溶媒を溶媒に使用すると、一般に粘性が小さく、良好な濡れ能力、良好な低温放電特性および高い放電率特性を提供する。適当なエーテル溶媒には、1,2-ジメトキシエタン（DME）；1,2-ジエトキシエタン；ジ（メトキシエチル）エーテル；トリグライム；テトラグライムおよびジエチルエーテルのような非環状エーテル； 1,3-ジオキソラン（DIOX）、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランおよび3-メチル-2-オキサゾリジノンのような環状エーテル；およびこれらの混合物を含むがこれに限定されない。
【００５２】
本発明による電気化学セルはリチウムおよびリチウムイオンセル以外の種類も可能である。例には、亜鉛/MnO2、亜鉛/NiOOH、ニッケル/カドミウムおよびニッケル/金属水素化物アルカリ電池のような水性電解質を用いた一次電池および二次電池を含む。これらの種類の電池は水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよびこれらの混合物のような溶質を用いたアルカリ性電解質を有することができる。
【００５３】
電気化学セル１００、３００および４００は適当なプロセスにより組立できる。たとえば図１の電気化学セル１００は電極アセンブリ１０８および絶縁体１３８をセル容器１０４に挿入し、それから容器１０４の中に電解質を注入することにより作ることができる。それからガスケット１２４、接触ばね１２２、保持装置１１８、圧力解放通気部材１２０、および随意的にPTC素子１２６を容器１０４の開放端に取り付ける。容器１０４はビード１０７で支持され、一方ガスケット１２４および正の接触端子１１６を含む集電体アセンブリ１０６は下向きにビード１０７の座面１４０に対して押しつけられ、容器１０４の上端縁は内側に曲げられて容器１０４はガスケット１２４に対して圧縮されて、筐体の開放端の密封が完成する。電気化学セル１００を密封するためにどのような適当な方法、たとえば折り曲げる、コレットにはめる、据え込みあるいは再絞りすることにより容器１０４を変形させることを使ってもよい。
【００５４】
別のある実施例において、圧力解放通気部材１２０を、熱溶融、超音波溶接あるいは接着剤の適用のような、１つあるいは複数の方法によって保持装置１１８に結合することができる。前記のように圧力解放通気部材１２０は単層でも、あるいはその代わりに２層あるいはそれ以上の材料の積層であってもよい。この場合、圧力解放通気部材１２０を保持装置１１８に結合してサブアセンブリを形成し、それからそれをガスケット１２４および接触ばね１２２に続いて容器１０４に挿入することができる。PTC素子１２６および正の接触端子１１６をそれから容器１０４の開口端に取り付けて電気化学セル１００の密封をする。その代わりに、圧力解放通気部材１２０を前記した方法の１つにより接触ばね１２２と保持装置１１８の両方に結合することもできる。
【００５５】
電気化学セル３００（図３）の実施例は、圧力解放通気部材３２０を保持装置３１８の上に置き、接触ばね３２２を圧力解放通気部材３２０の上に置き、それから保持装置３１８の縁をそれが接触ばね３１０に接触してサブアセンブリを形成するように曲げることにより形成された、折り曲げた保持装置３１８を含む。圧力解放通気部材３２０は随意的に保持装置３１８あるいは接触ばね３２２あるいは保持装置と接触ばねの両方に結合することができる。同様のサブアセンブリを電気化学セル４００（図４）において使用するために形成することができる。接触ばね３２２および４２２が突起部３３２および４３２をそれぞれ含む所で、接触ばねがサブアセンブリを形成するために使用される前に、接触ばね３２２および４２２の周辺フランジが、V型の溝あるいは丸められた縁のような多くの可能な輪郭の１つを持つ、環状あるいは多角形のような多くの可能な形状の１つを形成するように、成形される。
【００５６】
前記の発明は理解を明確にする目的で詳細を説明したが、添付の請求項の請求範囲内で、ある程度の変更や修正が実施できることは明らかである。たとえば、この明細書で主としてリチウムおよびリチウムイオンセルを説明したが、本発明はまた他のセルの種類にも適用できる。また、前記の実施例が放電時のカソードに接続されている正の接触端子に関連する圧力解放通気部材を説明したが、同じ解放機構を負のセル端子に用いることができる。したがって、本実施例は説明的であって、制限的ではないと考えるべきであり、本発明はここで与えた詳細に限定すべきでなく修正できるものであり、添付の請求項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１００ 電気化学セル
１０２ 筐体
１０４ 容器
１０６ 集電体アセンブリ
１０７ ビード
１１０ アノード
１１２ カソード
１１４ セパレータ
１１６ 正の接触端子
１２４ ガスケット
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学セルを密封するための容器と集電体アセンブリとを含む筐体を有する電気化学セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の電源として使用される電池は大量のエネルギ―を蓄えることができる。電池は１個あるいは複数の電気化学セルを含むことができる。電気化学セル内部の圧力は、内部温度の変化、放電の間の内部電極体積の増加、充電可能電池の場合の充電および放電の間の隙間の発生により、増加する。このような電気化学セルは、一般に内部圧力の形成を制限するため、セルからガスを解放あるいは放出するための機構を含む。
【０００３】
電気化学セルは開放端のある容器と、電気化学セルを閉じるために容器の開放端に配置した集電体アセンブリとを有することができる。この集電体アセンブリは過剰圧力を解放する安全圧力解放通気機構を含むことができる。
【０００４】
電気化学セルにはいろいろな集電体アセンブリと圧力解放通気設計が用いられている。たとえば、再び閉じることができる圧力解放弁を、ニッケル-カドミウムおよびニッケル-金属水素化物電池のような、充電式水性電解電池に見出すことができる。アルカリ亜鉛-二酸化マンガン電池のような一次（充電できない）水性セルは、内部圧力が規定の限度を超過したとき破れるような弱い断面を含む比較的大きい表面積のプラスチックシールを持つ集電体アセンブリを用いている。リチウム金属およびリチウム挿入材料を含む電極を使ったセルのような、水性でない一次および充電式電気化学セルは、一般に蒸気の透過を最少にするための薄い壁のプラスチック部材と、内部圧力を非常に速く減少させることができる圧力解放弁を持つ集電体アセンブリを有する。
【０００５】
従来の集電体アセンブリおよび圧力解放設計の例は次の文献に見られる。特許文献１(issued to Rods et al. October 16, 1990)、特許文献２(issued to Chancy, Jr. et al. May 14, 1991)、特許文献３(issued to Daio et al. October 20, 1992)、特許文献４(issued to Kaschmitter et al. May 11, 1997)、特許文献５(issued to Sato et al. October 14, 1997)、特許文献６(issued to Mayer et al, April 21, 1998)および特許文献７(issued to Kameishi et al. June 16, 1998)。これらの例はそれぞれ大きい集電体アセンブリ体積あるいは寸法的な制約があって、有効な内容物のセル内の体積が制限される、あるいは部品数が多いためにセルの値段が高くなりまた製造が難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第4,963,446号
【特許文献２】米国特許第5,015,542号
【特許文献３】米国特許第5,156,930号
【特許文献４】米国特許第5,609,972号
【特許文献５】米国特許第5,677,076号
【特許文献６】米国特許第5,741,606号
【特許文献７】米国特許第5,766,790号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、正電極と負電極および電極間のセパレータを備えた電極アセンブリ、電解質および筐体を有する電気化学セルに関する。この筐体は容器および集電体アセンブリを含む。集電体アセンブリは、電気化学セルの内部圧力が規定の解放圧力に達したとき、破裂することができる圧力解放通気部材を有する。この集電体アセンブリ内の部品の数と配置は小さい体積しか要せず、したがって有効な内容物のために大きな体積を取ることができ、また経済的で信頼性の高いセルを製造することができる。
【０００８】
本発明の１つの実施例において、集電体アセンブリは保持装置と接触ばねを含み、それぞれが電気化学セル内部の圧力解放チャネルに沿った開口を規定する。集電体アセンブリはまた、保持装置と接触ばねとの間に配置されまた圧力解放チャネルを閉じるための圧力解放通気部材を含む。電気化学セル内の圧力が少なくとも規定の解放圧力の大きさのとき、圧力解放通気部材が破裂してセル内の物質を保持装置の開口を通して逃がす。
【０００９】
本発明の他の実施例において、保持装置と接触ばねの周辺フランジが圧力解放通気部材と協力して圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を形成する。この保持装置は、たとえば保持装置内のクリンプを経由して接触ばねと圧力解放通気部材に圧縮力を加えることができる。これに加えてこの接触ばねはさらに、圧力解放通気部材に加えられている圧縮力が減じても圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を維持するために、接触ばねの周辺フランジ内に連続的な突起を含むことができる。さらに圧力解放通気部材は電気的に導電性の保持装置に熱溶着、超音波溶接、あるいは接着剤を用いて物理的に結合することができる。
【００１０】
他の実施例において、集電体アセンブリは圧力解放通気部材と保持装置との間に密封手段を備える。
【００１１】
この圧力解放通気部材は少なくとも導電性あるいは非導電性の組成から成る１つの層を含むことができる。圧力解放通気部材には金属、高分子化合物あるいはこれらの複合材料を含むことができる。圧力解放通気部材の構造および組成は電解質の蒸気透過率に基づいて、望ましくセルの重量減少を低くできる。圧力解放通気部材の組成および厚さはまた圧力解放通気部材が破裂するように規定したあるいは望ましい圧力に基づくことができる。ある実施例では、圧力解放通気部材が、ポリエチレンテレフタレート/ポリエチレン/アルミニウム/ポリエチレン/低密度ポリエチレンの５層の積層品で、厚さが約0.0254 mm（0.001 インチ）から約0.254 mm（0.010 インチ） であり、解放圧力が室温（20℃ から25℃）において約14.1 kg/cm2 (200 lbs/in2) から約42.3 kg/cm2 (600 lbs/in2) である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例による電気化学セルの断面図である。
【図２】従来技術による電気化学セルの上部と集電体アセンブリの断面図である。
【図３】本発明の実施例による電気化学セルの上部と集電体アセンブリの断面図である。
【図４】本発明のある実施例による電気化学セルの上部と集電体アセンブリの断面図である。
【図５】蒸気透過率試験に使用する試験膜の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明の実施例による円筒形の電気化学セル１００を示す。本発明の電気化学セル１００は容器１０４と集電体アセンブリ１０６とを含む筐体１０２を有する。容器１０４は閉じた底部と、集電体アセンブリ１０６によって閉じられている開いた上端を有する。容器１０４はまた容器１０４の上部と底部を分離するビード１０７を有する。容器１０４の底部の中に配置されているのは、負電極あるいはアノード１１０、正電極あるいはカソード１１２、およびアノード１１０とカソード１１２との間に配置されたセパレータ１１４を含む電極アセンブリ１０８である。図１に示す実施例において、アノード１１０、カソード１１２およびセパレータ１１４はそれぞれ薄いシートで一緒に螺旋状に巻かれており、これはまた「ジェリーロール」設計として知られている。電気化学セル１００は円筒形であるが、技術に詳しい専門家には本発明の別の実施例が他の形状のセルおよび電極を含むことが明らかである。容器１０４はさまざまな幾何学的形状、たとえば角柱および長方体、の１つでもよい。
【００１４】
電気化学セルがリチウム電気化学セルの場合、アノード１１０はリチウム金属を含み、これはシートあるいは箔の形でもよい。リチウムセル用のカソード１１２は１つあるいは複数の、通常は粒子状の活性物質を含むことができる。どのような適切な活性カソード物質を使ってもよく、たとえばFeS2、MnO2、CFx および（CF）nを含むことができる。適当なセパレータ材料は電気的に非電導性であるが、電解質へイオン透過性である。リチウム電気化学セルに使用される電解質は一般的に有機溶媒を含む。アノード１１０、カソード１１２、セパレータ１１４およびリチウムならびにいろいろなその他の電気化学セルの電解質に関するさらなる詳細を以下に説明する。
【００１５】
容器１０４は底が閉じている金属缶でもよいが、最初両端が開いている金属管もまた使用できる。セル容器１０４は、容器１０４の外側を腐食から保護しあるいは所望の外観を提供するために、任意で少なくとも外側をたとえばニッケルで鍍金した鋼鉄でもよい。また鋼鉄のタイプは容器１０４が形成される方法に部分的に依存する。たとえば引き抜き加工を使って作られる容器は、拡散焼きなましをした、ASTM 9から11の結晶粒度で、僅かに細長いグレイン形状に等軸化された、低炭素のSAE 1006あるいは同等のアルミキルド鉄鋼で作ることができる。その他の材料も特別な要求に合わせて使用できる。たとえば、容器１０４がカソード１１２に電気的接触をしている、セルの開放電圧が約３ボルトあるいはそれより大きい、あるいはセルが充電可能であるような電気化学セル１００に対して、鋼鉄よりももっと耐腐食性のある材料が望まれる。このような材料にはステンレス鋼、ニッケル鍍金をしたステンレス鋼、ニッケルクラッドステンレス鋼、アルミニウムおよびこれらの合金を含むが、これに限定されない。
【００１６】
筐体１０２の上部に配置された集電体アセンブリ１０６は、正の接触端子１１６、開口を規定する保持装置１１８、圧力解放通気部材１２０、開口を規定する接触ばね１２２、およびこれらの部品と容器１０４との間に配置されたガスケット１２４を含むことができる。集電体アセンブリ１０６は随意的に、開口を規定し、保持装置１１８と正の接触端子１１６との間に配置された正温度係数素子（PTC）１２６を含むことができる。容器１０４の上に突き出た正の接触端子１１６は、内側に折り曲げられた容器１０４の縁１２８とガスケット１２４によってその場所に保持される。
【００１７】
電極アセンブリ１０８のカソード１１２は接触ばね１２２によって集電体アセンブリ１０６に電気的に接続されている。接触ばね１２２は、電極アセンブリ１０８の頂上に配置された集電体１３６の上端に対して偏らせられている少なくとも１つのタブ１３４を有し得る。集電体１３６は電気的に伝導性の回路基板であり、例えば金属回路基板、そこにカソード材料が配置され、カソード材料およびセパレータ１１４を超えて拡大する。集電体１３６は、セル内で安定する限り、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金およびその他の合金、から成り得る。集電体１３６は薄いシート、箔、スクリーン、エキスパンデッドメタルの形状であり得る。接触ばね１２２は、例えば、形状記憶合金を含むばね様の特性を有する1つ以上の伝導性材料からなり得る。組立中、集電アセンブリ１０６が容器１０４内に配置される際、集電体１３６は、力に対して弾性のある組成を有する、接触ばね１２２のタブ１３４を押しつける。この助力により、タブ１３４および集電体１３６の間の接触が確保される。接触ばね１２２は集電体１３６との接触のため１つ以上のタブ１３４を有することができる。いくつかの実施例において、タブ１３４と集電体との電気的接触は、集電体１３６に対してタブ１３４により加えられるばね様の力により維持される。他の実施例において、タブ１３４は集電体１３６に溶接することができる。また別の実施例ではタブ１３４は集電体１３６に、タブ１３４と集電体１３６の両方に溶接されている狭い金属片あるいは線のような電気的に導電性の線で接続されている。溶接接続は時によって、特に極端な取扱い、保管および使用条件のもとではさらに信頼性が高いが、圧力接続は追加の組立作業や設備を必要としない。
【００１８】
アノード１１０は電気的に容器１０４の内部表面に金属アノードリード線（示されていない）により接続されており、電極アセンブリ１０８は、それ以外はセパレータ１１４の外包みと、集電体１３６が容器１０４と接触するのを防止するため電極アセンブリ１０８の上部周辺に配置された絶縁体１３８とによって、容器１０４から物理的に隔離されている。カソード１１２の底部の縁と容器１０４の底部との接触は、内側に畳まれたセパレータ１１４の延長部分と容器１０４の底部に配置された電気的絶縁性の円板（示されていない）とによって防止されている。
【００１９】
電気化学セル１００の正常な動作の間、電気装置（示されていない）は、容器１０４の一方の端にある集電体アセンブリ１０６の正の接触端子１１６と、閉じた端にある負の接触端子とに接触することができる。導電経路がこのようにして負の端子あるいは容器１０４から、アノードリード線、電極アセンブリ１０８，集電体１３６を経由して集電体アセンブリ１０６まで確立される。集電体アセンブリ１０６を通る電流経路は、接触ばね１２２のタブ１３４を通り、圧力解放通気部材１２０の周りの保持装置１１８を横切り、正の接触端子１１６に至る。保持装置１１８は、金属、バイメタルおよび３層積層材料のような１つあるいは複数の材料で作ることができる。たとえば保持装置１１８はニッケル鍍金鋼あるいはステンレス鋼、あるいは鋼板、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、ニッケルおよびこれらの合金を組み合わせたクラッド金属で作ることができる。
【００２０】
正の接触端子１１６は周囲環境中の水による腐食に対する良好な耐性と良好な電気伝導性を有する必要がある。正の接触端子１１６はニッケル鍍金した冷間圧延鋼板あるいは接触端子を成形したあとニッケル鍍金した鋼板のような導電性材料で作ることができる。使用材料はまた正の接触端子１１６の形状の複雑さにも依存する。 正の接触端子１１６の形状が複雑な場合、金属成形が容易で所望の耐食性を提供するために、たとえばグレインサイズがASTM 8-9のタイプ304ソフトアニールステンレス鋼を使うことができる。成形したあと正の接触端子１１６はまたいろいろな金属、たとえばニッケル、で鍍金することができる。
【００２１】
ガスケット１２４は容器１０４の上部に対する集電体アセンブリ１０６の密封を提供する。ガスケット１２４は、ビード１０７の下で容器１０４の下部から集電体１３６を物理的に隔離している絶縁体１３８から、容器１０４の上部の縁１２８まで、延ばすことができる。容器１０４の上部の輪郭は集電体アセンブリ１０６に対して取付面１４０を提供するビード１０７を含む。ガスケット１２４は集電体アセンブリ１０６の導電性部品を容器１０４の上部から物理的に隔離し、また腐食とこれらの部品の間に電解質が漏れるのを防止するため集電体アセンブリ１０６の部品の周辺の縁を密封する。ガスケット１２４は、集電体アセンブリ１０６を容器１０４に挿入し容器１０４の上端１２８とガスケット１２４を折り曲げる際に、ガスケット１２４を圧縮してガスケット１２４と容器１０４との間ならびにガスケット１２４と集電体アセンブリ１０６の他の部品の界面との間に密封が作れるような大きさである。
【００２２】
ガスケット１２４は、セルへの水の侵入と電気化学セル１００からの電解質の損失を最少にするため、圧縮密封を形成でき、また低い蒸気透過率（VTR）を有するような組成の材料で作ることができる。ガスケット１２４は高分子化合物組成、たとえば熱可塑性プラスチックあるいは熱硬化性高分子化合物で作ることができ、その組成はアノード１１０、カソード１１２および電気化学セル１００に使用される電解質に一部依存する。リチウムあるいはリチウムイオンセルのような非水性セル用のガスケット１２４に使用できる材料の例は、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、四フッ化物-パーフルオロアルキルビニールエーテル共重合体、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフタルアミドおよびこれらの混合物を含むがこれに限定されない。使用できる適当なポリプロピレンの１つはBasell Polyolephins, Wilmington, Delaware, USAのPRO-FAX （登録商標） 6524である。適当なポリフェニレンスルフィドの１つはBoedeker Plastics, Inc. Shiner, Texas, USAの TECHTRON（登録商標） PPS である。高分子化合物はまた主剤に加えて無機充填剤および有機化合物を含むことができる。
【００２３】
電気化学セル１００の圧力解放チャネル１４２は保持装置１１８の開口と接触ばね１２２の開口によって規定される。電気化学セル１００と圧力解放チャネル１４２の閉鎖は保持装置１１８と接触ばね１２２の開口を横切って配置された圧力解放通気部材１２０によって完成される。密封は圧力解放通気部材１２０の周辺部と少なくとも保持装置１１８と接触ばね１２２のいずれかとの間で形成される。この密封は界面における気密接触の結果であり、これはいくつかの実施例において圧力解放通気部材１２０の周辺部の圧縮により強化されている。随意的に接着剤あるいはシーリング剤を以下に説明するように界面に適用することができる。少なくとも保持装置１１８か接触ばね１２２のいずれかの周辺部はまた、容器１０４およびガスケット１２４の上縁が折り曲げられたとき、ガスケット１２４および集電体アセンブリ１０６のその他の部品の周辺部に加えられる軸力の結果として、圧力解放通気部材１２０の周辺部を密封する界面に対して偏らせるのに役立つ。保持装置１１８および接触ばね１２２の圧力解放通気部材を偏らせる特性は適切な材料と、接触ばね１２２およびそのための保持装置１１８の周辺フランジに沿った幾何学的形状とを用いて達成できる。
【００２４】
電気化学セル１００の通常の動作の間、化学反応によってセル内にガスが発生する。電気化学セル１００内に内部圧力が形成されるとき、圧力解放通気部材１２０によってその内容は基本的に電気化学セル１００内に留まる。内部圧力が形成されるにつれ圧力解放通気部材１２０は変形するかもしれない。しかし前記のように容器１０４が集電体アセンブリ１０６に及ぼす圧縮力が圧力解放通気部材１２０をその場所に留まらせ、ガスおよびセルの内容物が保持装置１１８の開口を通じて逃げることを防止する。電気化学セル１００内の集電体アセンブリ１０６の圧縮は、セル圧力が規定の解放圧力より小さいとき、圧力解放通気部材１２０が内側にクリープして保持装置１１８の開口と接触ばね１２２の開口との間の圧力解放チャネル１４２に開口を形成することを少なくとも防止することができる。
【００２５】
しかし電気化学セル１００内の圧力が少なくとも規定の解放圧力の大きさのとき、圧力により圧力解放通気部材１２０が破裂してガスあるいは液体またはその両方の形態のセル内の物質を保持装置１１８の開口を通して逃がす。セル内の物質は正の接触端子１１６内にある１つあるいは複数の通気孔１３０を通って逃げることができる。規定の解放圧力は電気化学セル１００の化学物質のタイプおよび完全性によって、安全および環境要件の観点から変化し得る。たとえば、AAサイズあるいはAAAサイズのリチウム電池において、規定解放圧力、つまり圧力解放通気部材１２０が開口を、たとえば裂け目によって、作る圧力は室温で約10.5 kg/cm2 (150 lbs/in2) から約 42.3 kg/cm2 (600 lbs/in2) の範囲にあり、いくつかの実施例においては約14.1 kg/cm2 (200 lbs/in2) から約28.1 kg/cm2 (400 lbs/in2)である。圧力解放通気部材が破裂する圧力は、たとえば容器に開けた孔を通してセルに圧力を加えることにより規定できる。
【００２６】
前記のように電気化学セル１００は随意的に開口を規定し、また保持装置１１８と正の接触端子１１６との間に配置されたPTC素子１２６を含むことができる。 電気化学セル１００の通常の動作の間、電流はPTC素子１２６を通って流れる。電気化学セル１００の温度が異常に高いレベルに達した場合、PTC素子１２６の電気抵抗が増加し、電流を減少させる。このPTC素子１２６はセルが外部の短絡、異常充電および強制大放電のような電気の不正使用によって起こる連続的内部加熱および圧力形成を減速あるいは防止する。しかし内部圧力が継続して規定の解放圧力を形成した場合、この圧力により圧力解放通気部材１２０が破裂して、内部圧力が解放される。
【００２７】
保持装置１１８と接触ばね１２２との間に配置された圧力解放通気部材１２０は、少なくとも金属、高分子化合物、あるいはこれらの複合材料の組成の１層を含む。圧力解放通気部材１２０が異なる組成の２層あるいはそれより多い層を含むこともできる。たとえば１層目と異なる組成を持つ２層目を、圧力解放通気部材１２０を保持装置１１８あるいは接触ばね１２２に結合する目的で使用することができる。別の例において、１層目と異なる組成を持つ２層目と３層目を、圧力解放通気部材１２０を保持装置１１８と接触ばね１２２の両方に結合するために使用することができる。また２つあるいはそれより多い組成を持つ複数の層を動作特性、たとえば圧力解放通気部材１２０の強度および柔軟性、を調整するのに使用することができる。
【００２８】
圧力開放弁部材１２０への使用に適した組成は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、およびこれらの合金などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物のような高分子化合物材料を含むが、これに限定されない。圧力開放弁部材１２０に適した組成には、また金属で補強した高分子化合物ならびに金属あるいは高分子化合物あるいはその両方の単層あるいは多層の積層を含むことができる。たとえば単層には、本質的に水、二酸化炭素および電解質を透過させない金属、あるいは蒸気の透過を防ぐSiOxあるいはAl2Oxのような酸化物の層で被覆した、メタライズしていない高分子化合物の薄膜のような材料が使用可能である。圧力解放通気部材１２０はさらにたとえばポリウレタンを含む接着層およびたとえば低密度ポリオレフィンを含む熱封止可能な層を含むことができる。
【００２９】
その代わりに、集電体アセンブリ内の密封を強化するために、接着剤あるいはその他の種類のシーリング剤を圧力解放通気部材、保持装置あるいはその両方の部分に適用することができる。
【００３０】
組成に関係なく圧力解放通気部材１２０は、広範囲の周囲温度においてセル１００の重量減少率を低くするために、セル１００に含まれる電解質に対して化学的耐性があり、また低い蒸気透過率（VTR）を持つ必要がある。たとえば圧力解放通気部材１２０が蒸気透過に関して不浸透性の金属の場合、圧力解放通気部材１２０の厚み方向のVTRは本質的にゼロである。しかし圧力解放通気部材１２０は少なくとも１層の蒸気透過性の材料、たとえば高分子化合物材料、を前記のように含むことができ、これはたとえば圧力解放通気部材１２０と少なくとも保持装置１１８か接触ばね１２２のいずれかとの間の密封を達成するための接着剤あるいはゴム弾性層として機能できる。
【００３１】
本発明の実施例による圧力解放通気部材１２０の層の７５℃で測定したVTRは、約11.81 g・mm/(日mm2) {3000 g・mil /(日in2)}より小さく、いくつかの実施例では約0.1969 g mm/(日mm2) {50 g・mil/(日in2)}から約11.81 g・mm/(日mm2) {3000 g・mil /(日in2)}までの範囲にあり、別の実施例においては約0.3543 g・mm/(日mm2) {90 g mil /(日in2)}から約9.84 g・mm/(日 mm2) {2500 g・mil /(日in2)}まで、またさらに別の実施例では約0.3543 g mm/(日mm2) {90 g mil/(日in2)}から約 5.9g・mm/(日mm2) {l500 g・mil/ (日in2)}までである。VTRは電気化学セル１００に含まれている電解質の組成によって変化し、さらにVTRが所望の限度内にあるように選択可能な圧力解放通気部材１２０の蒸気透過層の組成によっても変化する。１層以上の材料を有する圧力解放通気部材とVTRを計算するための試験手順の詳細を以下に説明する。
【００３２】
規定の解放圧力、あるいは圧力解放通気部材１２０が破裂することを意図した圧力、は、その物理特性（たとえば強度）、その物理的寸法（たとえば厚さ）および保持装置１１８により規定される開口面積およびPTC素子１２６により規定される開口のいずれか小さい方、の関数である。保持装置１１８およびPTC素子１２６によって露出される圧力解放通気部材１２０の面積が大きいほど、電気化学セル１００の内部ガスが及ぼす全体的な圧力が大きくなるため、規定の解放圧力は低くなる。
【００３３】
圧力解放通気部材１２０の厚さは約0.254 mm (0.010 インチ)より薄くでき、いくつかの実施例において約0.0254 mm (0.001 インチ)から約0.127 mm (0.005 インチ)の範囲にあり、別の実施例におけるこの厚さは約0.0254 mm (0.001 インチ)から約0.05 mm (0.002 インチ)の範囲である。
圧力解放通気部材１２０の組成および厚さは技術に詳しい専門家が蒸気透過率（VTR）および規定した解放圧力要件を考慮して決定できる。
【００３４】
図２は従来技術による電気化学セル２００の上部の断面図である。この電気化学セル２００は、容器２０４の上部および底部を分離するビード２０７と集電体アセンブリ２０６によって閉じられている解放端とを有する容器２０４を含む筐体２０２を含む。集電体アセンブリ２０６は１個あるいは複数の通気孔２３０を有する正の接触端子２１６、ガスケット２２４，PTC素子２２６，セルカバー２４４、ブッシング２４６，通気球２４８および、容器２０４の底部にある電極アセンブリ（示されていない）から延びている集電体２３６と物理的接触をしている接触ばね２２２を含む。集電体２３６はその他にセパレータ２３８によって容器２０４から物理的に隔離されている。セルカバー２４４は、電気化学セル２００の内部で正の接触端子２１６から下の方に突き出ている通気井戸２５０を有する。この通気井戸２５０は、そこに形成され、通気球２４８および通気ブッシング２４６により密封されている通気開口２５２有し、通気ブッシング２４６が通気球２４８と通気井戸２５０の縦方向の壁との間に押しつけられるように通気球２４８および通気ブッシング２４６が配置される。電気化学セル２００の内部圧力が規定のレベルを超過すると、通気球２４８が、またある場合にはブッシング２４６と通気球２４８の両方が通気開口２５２から押し離され、少なくとも通気井戸２５０の一部から圧力の掛かったガスを電気化学セル２００の通気開口２５２および通気孔２３０を通って解放する。
【００３５】
図１に示す本発明の実施例を参照すると、電気化学セル１００の容器１０４の上部あるいは肩の部分の縦の高さh1は、図２における電気化学セル２００の容器２０４の上部の縦の高さh2よりも小さい。容器１０４の外側で容器１０４の上部からビード１０７の座面１４０まで測った肩の高さh1（図１）は、容器２０４の外側で容器２０４の上部からビード２０７の座面２４０まで測った肩の高さh2（図２）より小さい。図１に示す集電体アセンブリ１０６は、図２に示す従来技術による集電体アセンブリ２０６よりも縦の高さ、あるいは肩の高さが小さいので、電気化学セル１００の容器１０４の底部におけるより多くの体積に有効電極材料を入れることができる。圧力解放通気部材１２０（図１）は本質的に平たいので、通気井戸２５０（図２）を有するセルカバー２４４よりも縦の空間が少なくて済む。その結果、従来のAAサイズのリチウム/FeS2電気化学セル２００の上部は肩の高さh2が約3.175 mm（0.125インチ）であるが、本発明の実施例におけるAAサイズのリチウム/FeS2電気化学セル１００の上部は肩の高さh1が約2.667 mm（0.105インチ）あるいはそれより小さい。さらに集電体アセンブリ１０６（図１）は従来技術による集電体アセンブリ２０６（図２）よりも部品数が少なく、これによって組立、製造において容易さと柔軟性が大きくなり、コストを下げることができる。
【００３６】
図３は本発明の別の実施例による電気化学セル３００の上部と集電体アセンブリ３０６の断面図である。この電気化学セル３００は、容器３０４の上部および底部の間にあるビード３０７と集電体アセンブリ３０６によって閉じられている開放端とを有する容器３０４を含む筐体３０２を含む。集電体アセンブリ３０６は、１個あるいは複数の通気孔３３０を有する正の接触端子３１６、ガスケット３２４、開口を規定する保持装置３１８、圧力解放通気部材３２０、および開口を規定しまた容器３０４の底部において電極アセンブリ（示されていない）から延びている集電体３３６と物理的接触をしているタブ３３４を有する接触ばね３２２を含む。保持装置３１８の開口および接触ばね３２２の開口は圧力解放チャネル３４２に沿った開口を規定し、また保持装置３１８と接触ばね３２２との間の圧力解放チャネル３４２を閉じるために、圧力解放通気部材３２０が保持装置３１８および接触ばね３２２の開口を横切って配置されている。
【００３７】
随意的に集電体アセンブリ３０６は、開口を規定しまた保持装置３１８と正の接触端子３１６との間に配置されたPTC素子３２６を含むことができる。集電体アセンブリ３０６は図１の集電体アセンブリ１０６に似ているが、保持装置３１８はクリンプ３１９、たとえばC形状のクリンプ、を有し、これは接触ばね３２２と圧力解放通気部材３２０の両方に直接接触し、また圧力解放通気部材３２０の周辺部を保持装置３１８および接触ばね３２２に対して保持するために軸力を供給する。保持装置３１８のこのクリンプ３１９は、半径方向および軸方向の両方に大きな強度を有し、電気化学セル３００の内部に内部圧力が形成されたとき、圧力解放通気部材３２０を実質上その場所に保持するために、半径方向および軸方向の大きな圧縮密封力に耐えることができる。圧力が形成されると圧力解放通気部材３２０は変形するあるいは膨らむかもしれないが、セル内部圧力が規定した解放圧力より小さいとき、圧縮力が保持装置３１８と圧力解放通気部材３２０との間の密封を維持することができる。
【００３８】
さらに接触ばね３２２は、圧力解放通気部材３２０と保持装置３１８の周辺部間の密封を向上することができる突起部３２２を有する周辺フランジを含むことができる。接触ばね３２２の周辺フランジは連続的な環状のフランジで、突起部３３２はばね３２２の中央開口の周辺を完全に囲む連続的な突起であってよい。その代わりに、突起部３２２は不連続で、複数の別個の突起部から成ってもよい。突起部３３２は、保持装置３１８のクリンプ３１９が跳ね返りと応力緩和を受けて接触ばね３２２から離れる方向に動くとき、圧力解放通気部材３２０の周辺部に対して圧縮力を維持するのに役立つ形状を有する。図３の実施例に示す突起部３３２は、下向きと内側に曲げられた、接触ばね３２２の周辺フランジの縁である。しかし上向きに突出し、それとは異なる輪郭を有する突起部も可能である。
【００３９】
接触ばね３２２はまたガスケット３２４に対して半径方向の圧縮力を及ぼすことができる拡張壁３２３を有することができる。これは接触ばね３２２とガスケット３２４との間に追加の内部密封を提供することにより、容器３０４の解放端密封の効果を向上することができる。これはガスケット３２４と集電体アセンブリ３０６との間の密封界面の長さを増加させ、また圧力解放通気部材３２０の周辺部を電解質から守る。これはまた接触ばね３２２の周辺の縁および保持装置３１８の下の縁を電解質から遮蔽し、腐食を防止することができる。
【００４０】
その代わりに、図１のセル１００のように保持装置を座金の形状にすることもでき、また接触ばねの周辺フランジは、折り曲げられて保持装置の周辺部に被さる部分を含むこともできる。
【００４１】
図４は本発明の別の実施例による電気化学セル４００を示す。この電気化学セル４００は、容器４０４の上部および底部を分離するビード４０７と、集電体アセンブリ４０６によって閉じられている解放端とを有する容器４０４を含む筐体２０２を含む。集電体アセンブリ４０６は、１個あるいは複数の通気孔４３０を有する正の接触端子４１６、ガスケット４２４、開口を有する保持装置４１８、圧力解放通気部材４２０、および容器４０４の底部において電極アセンブリ（示されていない）から延びている集電体４３６と物理的接触をしているタブ４３４を有する接触ばね４２２を含む。随意的に集電体アセンブリ４０６は、保持装置４１８と正の接触端子４１６との間に配置されたＰＴＣ素子４２６を含むことができる。
【００４２】
電気化学セル３００（図３）の保持装置３１８のように、電気化学セル４００（図４）の保持装置４１８はクリンプ４１９、たとえばC形状をしたクリンプ、を有し、これは圧力解放通気部材４２０と接触ばね４２２に接触している。保持装置４１８、接触ばね４２２、および圧力解放通気部材４２０は協力して集電体アセンブリ４０６内で電解質の密封を形成している。接触ばね４２２は下の方に突き出たV形状の環状の溝の形をした突起部４３２を持つ周辺フランジを有するが、突起部４３２は別の形状大きさや輪郭も可能である。接触ばね４２２の周辺フランジは連続的な（たとえば環状）フランジであってもよく、突起部４３２は接触ばね４２２の周辺フランジに沿った連続的な（たとえば環状突起）であってもよい。
【００４３】
前記のように、電気化学セル４００の規定解放圧力、これは圧力解放通気部材４２０が破裂する圧力である、は保持装置４１８の開口のサイズを変えることによって調節できる。所定の材料の種類と厚さに対して、保持装置４１８により規定される開口を大きくすることにより、圧力解放通気部材４２０が同じ厚さと組成を持つと仮定すると、より大きな外側への力が圧力解放通気部材４２０に加わるので、電気化学セルの解放圧力を小さくすることができる。たとえば保持装置４１８により規定される開口は保持装置３１８（図３）により規定される開口より小さく、したがって電気化学セル４００の規定解放圧力は電気化学セル３００（図３）の規定解放圧力よりも大きい。前記はまたPTC素子４２６の開口は少なくとも保持装置４１８により規定される開口と同じ大きさであることを仮定している。
【００４４】
別の実施例において、電気化学セル４００（図４）は、ガスケット４２４に追加して随意的な内部ガスケットを含むことができる集電体アセンブリ４０６を有することができる。この内部ガスケットは、圧力解放通気部材４２０と少なくとも保持装置４１８か接触ばね４２２のいずれかとの間に配置され、電解質密封を提供する。この内部ガスケットは、集電体アセンブリ４０６が容器４０４中に配置されるとき、圧力解放通気部材４２０の周囲の金属部品に対する密封の効果を増すことができる。この内部ガスケットは、ガスケット１２４（図１）に関して前記説明したいろいろな材料、たとえばゴム弾性材料、の１つから作ることができ、接着結合密封を提供するために接着剤で被覆した材料を使うことができる。この内部ガスケットはC形状の輪郭をし、保持装置４１８と接触ばね４２２および圧力解放通気部材４２０の両方との間に配置することができるが、この内部ガスケットはいろいろな形状を持つことができる。たとえばこの内部ガスケットは、保持装置４１８と圧力解放通気部材４２０の周辺部の上面との間、圧力解放通気部材４２０と接触ばね４２２の周辺部の上面との間、あるいはこれらの位置の両方に配置された実質的に平らな座金であってもよい。この内部ガスケットはまた、接触ばね４２２と保持装置４１８との間に電気的接触があるようにして、内部ガスケットの縦の壁を圧力解放通気部材４２０と接触ばね４２２の周辺部外側縁の周りに配置した、L形状で、直立したあるいは逆転した位置であってもよい。このようなL形状ならびにC形状の構成は圧力解放通気部材４２０の周辺部分から電解質を密封する。同様の内部ガスケットをそれぞれ図１および図３に示す電気化学セル１００および３００の代替の実施例ならびにその他の実施例に含むことができる。
【００４５】
セル４００において圧力解放通気部材４２０は第１の層４２０a、第２の層４２０ｂおよび第３の層４２０ｃを含む。たとえば第１の層４２０ａと保持装置４１８との間に配置された第２の層４２０ｂ、および第１の層４２０ａと接触ばね４２２との間に配置された第３の層４２０ｃは、圧力解放通気部材４２０を保持装置４１８および接触ばね４２２に対して密封するための接着層あるいは密封可能な層として機能することができる。どの実施例においても圧力解放通気部材４２０は、保持装置４１８あるいは接触ばね４２２あるいはその両方にいろいろな方法によって、たとえば接着剤結合、スポット溶接結合、超音波溶接あるいはその他の溶接および技術に詳しい専門家に知られている取付方法によって、結合することができる。圧力解放通気部材４２０を、接着および熱密封可能材料が不要なように、機械的にその場所に保持することもまた可能である。第２の層４２０ｂおよび第３の層４２０ｃはまた組立の際の第１の層４２０ａの擦傷あるいは破損を防止するための保護被膜として機能する。
【００４６】
前記のように電気化学セル１００（図１）に関して、圧力解放通気部材１２０（図１，３）および４２０（図４）は少なくとも金属、高分子化合物、およびこれらの複合材料を含む組成の１層を含むことができる。圧力解放通気部材４２０に対して使用できる適当な３層積層の１つは、Oshkosh, Wisconsin, USAのCurwoodからLIQUIFLEX（登録商標） Grade 05396 35C-501Cとして入手できる、PET/アルミニウム/EAA共重合体である。適当な５層積層の１つは、Columbus, Georgia, USAのLudlow Coated ProductsからBF-48として入手できるPET/PE/アルミニウム/PE/LLDPEであるが、この会社はPrinceton, New Jersey, USAのTyco International, Ltd.の完全子会社である。
【００４７】
前記のように圧力解放通気部材１２０（図１）、３２０（図３）および４２０（図４）のどの透過性層のVTR範囲もASTM E96-80（材料の水蒸気透過に対する標準試験法）から適用された方法を使って決定することができる。圧力解放通気部材、たとえば圧力解放通気部材１２０、３２０、４２０、の透過性層の組成を持つ試験膜５０１（図５）を、セルで使用される電解質を8 ml だけ含む直径25 ml 高さ54 mmで15 ml ビン（たとえばWheaton Serum Bottle、直径25 mm x 高さ54 mm、Cat. No. 06-4061D）の上部に置く。通気膜５０１は、壁５０３，ハブ５０５および試験面５０７を有し、ビンに対して密封を提供する大きさである。壁５０３の外径は19．56 mmで、壁５０３の内径は14．33である。ハブ５０５の直径は3.23 mmで、試験面５０７の下の長さは1．91 mmである。試験面５０７の厚さは0．508 mmで、壁５０３とハブ５０５との間の環状面である試験面の面積は1．529 cm2である。真空グリースをビンの口に適用し、中央に15．88 mmの穴を有するシール（たとえばWheaton Aluminum Seal Cat. No. 060405-15）を試験膜の上に置き、試験膜５０１が試験中にビンに密封されているようにビンの上にしっかりと折り曲げる。密封したビンの重量を量り、ビンを75℃で保管し、規定の試験期間内で一定の間隔で重量を量る（たとえば６ヶ月に対して毎月、２週間に対して毎日など）。試験期間にわたる重量の変化を決定し、最初の実験的VTRを計算する。密封した空のビンについて前記と同じ試験を行い、同じ一定間隔と試験期間について重量の変化を決定し、２番目の実験的VTRを計算する。平均総重量損失を用いて最初と２番目のそれぞれの実験的VTRを計算する。最後に空のビンについて行った試験に対して計算した２番目の実験的VTRを、電解質を含むビンについて行った試験に対して計算した最初の実験的ＶＴＲから差し引き、試験膜のVTRを得る。
【００４８】
本発明の実施例における電極アセンブリおよび電解質に使用できる材料は、図１，３，および４で前記説明した実施例のものを含むがこれに限定されず、以下に説明する。リチウム電気化学セルのアノードはリチウム金属を含み、しばしばシートあるいは箔の形状である。リチウムの組成は常に純度は高いものの、いろいろである。このリチウムは所望のセルの電気的性能を提供するために、アルミニウムのような他の金属との合金でもよい。リチウムイオンセル用のアノードは１つあるいは複数のリチウム挿間可能な材料を含む。挿間可能な物質とは、その格子構造の中にリチウムイオンを挿入したり引き出したりできる材料を意味する。適当な材料の例には、グラファイト、中間相炭素および非晶質炭素またはそのいずれかのような炭素；ニッケル、コバルトおよびマンガンのような遷移金属酸化物；たとえば鉄、モリブデン、銅およびチタンの硫化物を含む遷移金属硫化物；およびたとえば珪素および錫の酸化物を含む非晶質金属酸化物を含むがこれに限定されない。これらの材料は一般的に粒子状で、所望の形状に成形される。
【００４９】
リチウムセル用のカソードは１つあるいは複数の、通常は粒子状の活性物質を含む。適切なカソード材料ならどれでも使用でき、たとえばFeS2、MnO2、CFx および(CF)n を含むことができる。リチウムイオンセル用のカソードは１つあるいは複数のリチウム挿間したあるいはリチウム挿間可能な材料を含み、通常は粒子状である。例にはバナジウムおよびタングステンのような金属酸化物；リチウム化した遷移金属酸化物、たとえばニッケル、コバルトおよびマンガン；リチウム化した硫化物、たとえば鉄、モリブデン、銅およびチタンの硫化物、およびリチウム化した炭素を含む。
【００５０】
適当なセパレータ材料はイオン透過性で電気的に非導電性である。適当なセパレータの例には、ポリプロピレン、ポリエチレンおよび超高分子量ポリエチレンのような材料でできた微孔性の膜を含む。Li/FeS2セルに適当なセパレータ材料は、CELGARD（登録商標） 2400 微孔性ポリプロピレン膜としてCelgard Inc., Charlotte, North Carolina, USAから入手でき、またSetella F20DHI微孔性ポリエチレン膜としてExxon Mobil Chemical Company of Macedonia, New York, USA から入手できる。固体電解質あるいは高分子化合物電解質の層もまたセパレータとして使用できる。
【００５１】
リチウムセルおよびリチウムイオンセル用の電解質は非水性の電解質で、水を混入物質としてごく微量にしか含まず、たとえば重量で約500 ppmより少ない。適当な非水性電解質は有機溶媒に溶けた１つあるいは複数の電解質塩を含む。アノードおよびカソードの活性材料および所望のセル性能に応じてどのような適当な塩も使用できる。例には臭化リチウム、過塩素酸リチウム、ヘクサフルオロリン酸リチウム、ヘクサフルオロリン酸カリウム、ヘクサフルオロアルソン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウムおよびヨウ化リチウムを含む。適当な有機溶媒には下記の１つあるいは複数を含む：炭酸ジメチル；炭酸ジエチル；炭酸ジプロピル；炭酸メチルエチル；炭酸エチレン；炭酸プロピレン；1,2-ブチレンカーボネート；2,3-ブチレンカーボネート；メタフォルメート；ガンマブチロラクトン；スルホラン；アセトニトリル；3,5-ジメチルイソオキサゾール；n,n-ジメチルホルムアミド；およびエーテル。この塩と溶媒との組合せは所望の温度範囲にわたってセルの放電要件を満たすために、充分な電解質伝導度および電気的伝導度を提供する必要がある。エーテル溶媒を溶媒に使用すると、一般に粘性が小さく、良好な濡れ能力、良好な低温放電特性および高い放電率特性を提供する。適当なエーテル溶媒には、1,2-ジメトキシエタン（DME）；1,2-ジエトキシエタン；ジ（メトキシエチル）エーテル；トリグライム；テトラグライムおよびジエチルエーテルのような非環状エーテル； 1,3-ジオキソラン（DIOX）、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランおよび3-メチル-2-オキサゾリジノンのような環状エーテル；およびこれらの混合物を含むがこれに限定されない。
【００５２】
本発明による電気化学セルはリチウムおよびリチウムイオンセル以外の種類も可能である。例には、亜鉛/MnO2、亜鉛/NiOOH、ニッケル/カドミウムおよびニッケル/金属水素化物アルカリ電池のような水性電解質を用いた一次電池および二次電池を含む。これらの種類の電池は水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよびこれらの混合物のような溶質を用いたアルカリ性電解質を有することができる。
【００５３】
電気化学セル１００、３００および４００は適当なプロセスにより組立できる。たとえば図１の電気化学セル１００は電極アセンブリ１０８および絶縁体１３８をセル容器１０４に挿入し、それから容器１０４の中に電解質を注入することにより作ることができる。それからガスケット１２４、接触ばね１２２、保持装置１１８、圧力解放通気部材１２０、および随意的にPTC素子１２６を容器１０４の開放端に取り付ける。容器１０４はビード１０７で支持され、一方ガスケット１２４および正の接触端子１１６を含む集電体アセンブリ１０６は下向きにビード１０７の座面１４０に対して押しつけられ、容器１０４の上端縁は内側に曲げられて容器１０４はガスケット１２４に対して圧縮されて、筐体の開放端の密封が完成する。電気化学セル１００を密封するためにどのような適当な方法、たとえば折り曲げる、コレットにはめる、据え込みあるいは再絞りすることにより容器１０４を変形させることを使ってもよい。
【００５４】
別のある実施例において、圧力解放通気部材１２０を、熱溶融、超音波溶接あるいは接着剤の適用のような、１つあるいは複数の方法によって保持装置１１８に結合することができる。前記のように圧力解放通気部材１２０は単層でも、あるいはその代わりに２層あるいはそれ以上の材料の積層であってもよい。この場合、圧力解放通気部材１２０を保持装置１１８に結合してサブアセンブリを形成し、それからそれをガスケット１２４および接触ばね１２２に続いて容器１０４に挿入することができる。PTC素子１２６および正の接触端子１１６をそれから容器１０４の開口端に取り付けて電気化学セル１００の密封をする。その代わりに、圧力解放通気部材１２０を前記した方法の１つにより接触ばね１２２と保持装置１１８の両方に結合することもできる。
【００５５】
電気化学セル３００（図３）の実施例は、圧力解放通気部材３２０を保持装置３１８の上に置き、接触ばね３２２を圧力解放通気部材３２０の上に置き、それから保持装置３１８の縁をそれが接触ばね３１０に接触してサブアセンブリを形成するように曲げることにより形成された、折り曲げた保持装置３１８を含む。圧力解放通気部材３２０は随意的に保持装置３１８あるいは接触ばね３２２あるいは保持装置と接触ばねの両方に結合することができる。同様のサブアセンブリを電気化学セル４００（図４）において使用するために形成することができる。接触ばね３２２および４２２が突起部３３２および４３２をそれぞれ含む所で、接触ばねがサブアセンブリを形成するために使用される前に、接触ばね３２２および４２２の周辺フランジが、V型の溝あるいは丸められた縁のような多くの可能な輪郭の１つを持つ、環状あるいは多角形のような多くの可能な形状の１つを形成するように、成形される。
【００５６】
前記の発明は理解を明確にする目的で詳細を説明したが、添付の請求項の請求範囲内で、ある程度の変更や修正が実施できることは明らかである。たとえば、この明細書で主としてリチウムおよびリチウムイオンセルを説明したが、本発明はまた他のセルの種類にも適用できる。また、前記の実施例が放電時のカソードに接続されている正の接触端子に関連する圧力解放通気部材を説明したが、同じ解放機構を負のセル端子に用いることができる。したがって、本実施例は説明的であって、制限的ではないと考えるべきであり、本発明はここで与えた詳細に限定すべきでなく修正できるものであり、添付の請求項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００５７】
１００ 電気化学セル
１０２ 筐体
１０４ 容器
１０６ 集電体アセンブリ
１０７ ビード
１１０ アノード
１１２ カソード
１１４ セパレータ
１１６ 正の接触端子
１２４ ガスケット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルであって、筐体と、正電極、負電極および電極間に配置されたセパレータを備える電極アセンブリと、電解質とを備え、
前記筐体が、
電極アセンブリおよび電解質が配置されている、開放端を持つ容器と、
電極アセンブリと筐体の開放端との間に配置された集電体アセンブリと、
を備え、
前記集電体アセンブリが、
最初の開口を規定する保持装置と
２番目の開口を規定する周辺フランジを備えた接触ばねと、
前記最初と２番目の開口は圧力解放チャネルを規定するが、
保持装置と接触ばねとの間に配置された周辺部分を有し、圧力解放チャネルを閉じている圧力解放通気部材と
を備え、
前記圧力解放通気部材が少なくとも規定した解放圧力の大きさの内部セル圧力に反応して破れ、それによって物質を保持装置の最初の開口を通じて逃がすことができる、前記電気化学セル。
【請求項２】
圧力解放通気部材が金属、高分子化合物およびこれらの混合物の群から選択した組成の少なくとも最初の層を備える、請求項１に記載のセル。
【請求項３】
圧力解放通気部材が厚さ0.254 mmあるいはそれより薄い、請求項１に記載のセル。
【請求項４】
保持装置、接触ばねの周辺フランジ、圧力解放通気部材の周辺部分が協力して集電体アセンブリ内の電解質密封を形成する、請求項１に記載のセル。
【請求項５】
接触ばねの周辺フランジが連続した環形を形成する、請求項４に記載のセル。
【請求項６】
圧力解放通気部材が 11.81 g・mm(日mm2)より小さい電解質の蒸気透過率を有する最初の層を備える、請求項１に記載のセル。
【請求項７】
圧力解放通気部材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレン、メタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る２番目の層を備える、請求項２に記載のセル。
【請求項８】
圧力解放通気部材が３番目の層を備え、最初の層が２番目の層と３番目の層との間に配置され、３番目の層がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る、請求項７に記載のセル。
【請求項９】
最初の層がアルミニウムから成る、請求項８に記載のセル。
【請求項１０】
集電体アセンブリが容器に対して配置された最初のガスケットを備え、前記ガスケット、保持装置、接触ばねおよび圧力解放通気部材が一緒に圧縮されてそれにより保持装置と接触ばねとの間の密封を提供する、請求項１に記載のセル。
【請求項１１】
集電体アセンブリが、保持装置と少なくとも接触ばねあるいは圧力解放通気部材のいずれかとの間に配置された２番目のガスケットを備える、請求項１に記載のセル。
【請求項１２】
接触ばねの周辺フランジが最初の開口の周りの連続的なフランジを備え、前記連続的なフランジがその上に連続的な突起部を有する、請求項１に記載のセル。
【請求項１３】
前記保持装置および圧力解放通気部材が一緒に結合されている、請求項１に記載のセル。
【請求項１４】
前記接触ばねと圧力解放通気部材とが一緒に結合されている、請求項１２に記載のセル。
【請求項１５】
前記圧力解放通気部材が20℃から25℃の温度範囲で、10.5 kg/cm2 から 42.3 kg/cm2の圧力範囲で破れる、請求項１に記載のセル。
【請求項１６】
前記圧力解放通気部材がアルミニウムを含む組成の層を備え、前記圧力解放通気部材が0.254 mmの最大厚さを有する、請求項１に記載のセル。
【請求項１７】
圧力解放通気部材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る２番目および３番目の層を備える、請求項１６に記載のセル。
【請求項１８】
前記セルがさらに接触端子と、前記接触端子と保持装置との間に配置された正の温度係
数素子を備える、請求項１７に記載のセル。
【請求項１９】
正電極がFeS2を含み、負電極がリチウム金属を含む、請求項１８に記載のセル。
【請求項２０】
前記保持装置が実質的に円形の周辺の縁を有する、請求項１９に記載のセル。
【請求項２１】
筐体が円筒形である、請求項２０に記載のセル。
【請求項２２】
電気化学セルであって、筐体と、正電極、負電極および電極間に配置されたセパレータを備える電極アセンブリと、電解質とを備え、
前記筐体が、
電極アセンブリと電解質とが配置されている、開放端を持つ容器と、
電極アセンブリと筐体の開放端との間に配置された集電体アセンブリと
を備え、
前記集電体アセンブリが、
最初の開口を規定する保持装置と、
２番目の開口を規定する周辺フランジを備えた接触ばねと、
前記最初と２番目の開口は圧力解放チャネルを規定するが、
保持装置と接触ばねとの間に配置された周辺部分を持ち、最初の開口と２番目の開口との間の圧力解放チャネルを閉じている圧力解放通気部材と
を備え、
前記圧力解放部材が少なくとも規定の解放圧力の大きさの内部セル圧力に反応して破れ、それによって物質が保持装置の最初の開口を通って逃げることができ、
保持装置と接触ばねフランジが圧力解放部材と協力して圧力解放部材と保持装置との間の密封を形成する、前記電気化学セル。
【請求項２３】
前記圧力解放通気部材の破裂圧力が20℃から25℃の温度範囲で、10.5 kg/cm2 から 42.3 kg/cm2の圧力範囲である、請求項２２に記載のセル。
【請求項２４】
圧力解放通気部材が金属、高分子化合物およびこれらの混合物の群から選択した組成の少なくとも最初の層を備える、請求項２２に記載のセル。
【請求項２５】
前記圧力解放通気部材の最初の層がアルミニウムから成る、請求項２４に記載のセル。
【請求項２６】
圧力解放通気部材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る２番目の層を備える、請求項２５に記載のセル。
【請求項２７】
圧力解放通気部材が３番目の層を備え、最初の層が２番目の層と３番目の層との間に配置され、３番目の層がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る、請求項２６に記載のセル。
【請求項２８】
前記２番目の層がポリエチレンから成り、３番目の層がポリエチレンから成る、請求項２７に記載のセル。
【請求項２９】
接触ばねの周辺フランジが最初の開口の周りの連続的なフランジから成り、前記連続的なフランジがその上に連続的な突起部を有する、請求項２２に記載のセル。
【請求項３０】
前記保持装置が圧力解放通気部材および接触ばねに圧縮力を加える折り曲げを有する、請求項２２に記載のセル。
【請求項３１】
前記保持装置が圧力解放通気部材の周辺部および接触ばねの周辺フランジに圧縮力を加える折り曲げを有する、請求項２９に記載のセル。
【請求項３２】
前記集電体アセンブリがさらに接触端子と、ガスケットと、前記接触端子と保持装置との間に配置された正の温度係数素子を備える、請求項３１に記載のセル。
【請求項３３】
前記保持装置と圧力解放通気部材とが一緒に結合されている、請求項３２に記載のセル。
【請求項３４】
正電極がFeS2を含み、負電極がリチウム金属を含む、請求項３３に記載のセル。
【請求項３５】
前記保持装置が実質的に円形の周辺の縁を有する、請求項３３に記載のセル。
【請求項３６】
筐体が円筒形である、請求項３３に記載のセル。
【請求項３７】
電気化学セルであって、筐体と、正電極、負電極および電極間に配置されたセパレータを備える電極アセンブリと、電解質とを備え、
前記筐体が、
電極アセンブリおよび電解質が配置されている、開放端を持つ容器と、
電極アセンブリと筐体の開放端との間に配置された集電体アセンブリと
を備え、
前記集電体アセンブリが
最初の開口を規定する保持装置と、
２番目の開口を規定する周辺フランジを備えた接触ばねと、
前記最初と２番目の開口は圧力解放チャネルを規定するが、
保持装置と接触ばねとの間に配置された周辺部分を持ち、最初の開口と２番目の開口との間に配置された圧力解放チャネルを閉じている圧力解放部材と、
前記圧力解放部材は少なくとも規定の解放圧力の大きさの内部セル圧力に反応して破れ、それによって物質が保持装置の最初の開口を通って逃げることができるが、
圧力解放部材と保持装置との間の密封手段とを
備えた、前記電気化学セル。
【請求項３８】
前記密封手段が保持装置、接触ばね、および圧力解放通気部材の周辺部分の協力により生じる圧縮力を備える、請求項３７に記載のセル。
【請求項３９】
前記密封手段が、接触ばねの周辺フランジおよび圧力解放通気部材の周辺部分に対する保持装置における折り曲げを備える、請求項３８に記載のセル。
【請求項４０】
圧力解放通気部材と保持装置との間の圧縮力が減少したとき、集電体アセンブリが圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を維持するための手段を備える、請求項３９に記載のセル。
【請求項４１】
圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を維持するための手段が、２番目の開口の周りを完全に囲む、接触ばねの周辺フランジ内に、連続的な突起を含む、請求項４０に記載のセル。
【請求項４２】
正電極がFeS2を含み、負電極がリチウム金属を含む、請求項３７に記載のセル。
【請求項１】
電気化学セルであって、筐体と、正電極、負電極および電極間に配置されたセパレータを備える電極アセンブリと、電解質とを備え、
前記筐体が、
電極アセンブリおよび電解質が配置されている、開放端を持つ容器と、
電極アセンブリと筐体の開放端との間に配置された集電体アセンブリと、
を備え、
前記集電体アセンブリが、
最初の開口を規定する保持装置と
２番目の開口を規定する周辺フランジを備えた接触ばねと、
前記最初と２番目の開口は圧力解放チャネルを規定するが、
保持装置と接触ばねとの間に配置された周辺部分を有し、圧力解放チャネルを閉じている圧力解放通気部材と
を備え、
前記圧力解放通気部材が少なくとも規定した解放圧力の大きさの内部セル圧力に反応して破れ、それによって物質を保持装置の最初の開口を通じて逃がすことができる、前記電気化学セル。
【請求項２】
圧力解放通気部材が金属、高分子化合物およびこれらの混合物の群から選択した組成の少なくとも最初の層を備える、請求項１に記載のセル。
【請求項３】
圧力解放通気部材が厚さ0.254 mmあるいはそれより薄い、請求項１に記載のセル。
【請求項４】
保持装置、接触ばねの周辺フランジ、圧力解放通気部材の周辺部分が協力して集電体アセンブリ内の電解質密封を形成する、請求項１に記載のセル。
【請求項５】
接触ばねの周辺フランジが連続した環形を形成する、請求項４に記載のセル。
【請求項６】
圧力解放通気部材が 11.81 g・mm(日mm2)より小さい電解質の蒸気透過率を有する最初の層を備える、請求項１に記載のセル。
【請求項７】
圧力解放通気部材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレン、メタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る２番目の層を備える、請求項２に記載のセル。
【請求項８】
圧力解放通気部材が３番目の層を備え、最初の層が２番目の層と３番目の層との間に配置され、３番目の層がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る、請求項７に記載のセル。
【請求項９】
最初の層がアルミニウムから成る、請求項８に記載のセル。
【請求項１０】
集電体アセンブリが容器に対して配置された最初のガスケットを備え、前記ガスケット、保持装置、接触ばねおよび圧力解放通気部材が一緒に圧縮されてそれにより保持装置と接触ばねとの間の密封を提供する、請求項１に記載のセル。
【請求項１１】
集電体アセンブリが、保持装置と少なくとも接触ばねあるいは圧力解放通気部材のいずれかとの間に配置された２番目のガスケットを備える、請求項１に記載のセル。
【請求項１２】
接触ばねの周辺フランジが最初の開口の周りの連続的なフランジを備え、前記連続的なフランジがその上に連続的な突起部を有する、請求項１に記載のセル。
【請求項１３】
前記保持装置および圧力解放通気部材が一緒に結合されている、請求項１に記載のセル。
【請求項１４】
前記接触ばねと圧力解放通気部材とが一緒に結合されている、請求項１２に記載のセル。
【請求項１５】
前記圧力解放通気部材が20℃から25℃の温度範囲で、10.5 kg/cm2 から 42.3 kg/cm2の圧力範囲で破れる、請求項１に記載のセル。
【請求項１６】
前記圧力解放通気部材がアルミニウムを含む組成の層を備え、前記圧力解放通気部材が0.254 mmの最大厚さを有する、請求項１に記載のセル。
【請求項１７】
圧力解放通気部材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る２番目および３番目の層を備える、請求項１６に記載のセル。
【請求項１８】
前記セルがさらに接触端子と、前記接触端子と保持装置との間に配置された正の温度係
数素子を備える、請求項１７に記載のセル。
【請求項１９】
正電極がFeS2を含み、負電極がリチウム金属を含む、請求項１８に記載のセル。
【請求項２０】
前記保持装置が実質的に円形の周辺の縁を有する、請求項１９に記載のセル。
【請求項２１】
筐体が円筒形である、請求項２０に記載のセル。
【請求項２２】
電気化学セルであって、筐体と、正電極、負電極および電極間に配置されたセパレータを備える電極アセンブリと、電解質とを備え、
前記筐体が、
電極アセンブリと電解質とが配置されている、開放端を持つ容器と、
電極アセンブリと筐体の開放端との間に配置された集電体アセンブリと
を備え、
前記集電体アセンブリが、
最初の開口を規定する保持装置と、
２番目の開口を規定する周辺フランジを備えた接触ばねと、
前記最初と２番目の開口は圧力解放チャネルを規定するが、
保持装置と接触ばねとの間に配置された周辺部分を持ち、最初の開口と２番目の開口との間の圧力解放チャネルを閉じている圧力解放通気部材と
を備え、
前記圧力解放部材が少なくとも規定の解放圧力の大きさの内部セル圧力に反応して破れ、それによって物質が保持装置の最初の開口を通って逃げることができ、
保持装置と接触ばねフランジが圧力解放部材と協力して圧力解放部材と保持装置との間の密封を形成する、前記電気化学セル。
【請求項２３】
前記圧力解放通気部材の破裂圧力が20℃から25℃の温度範囲で、10.5 kg/cm2 から 42.3 kg/cm2の圧力範囲である、請求項２２に記載のセル。
【請求項２４】
圧力解放通気部材が金属、高分子化合物およびこれらの混合物の群から選択した組成の少なくとも最初の層を備える、請求項２２に記載のセル。
【請求項２５】
前記圧力解放通気部材の最初の層がアルミニウムから成る、請求項２４に記載のセル。
【請求項２６】
圧力解放通気部材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る２番目の層を備える、請求項２５に記載のセル。
【請求項２７】
圧力解放通気部材が３番目の層を備え、最初の層が２番目の層と３番目の層との間に配置され、３番目の層がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、エチレンアクリル酸、エチレンメタアクリル酸、ポリエチレンメタアクリル酸およびこれらの混合物を含む群から選択した組成から成る、請求項２６に記載のセル。
【請求項２８】
前記２番目の層がポリエチレンから成り、３番目の層がポリエチレンから成る、請求項２７に記載のセル。
【請求項２９】
接触ばねの周辺フランジが最初の開口の周りの連続的なフランジから成り、前記連続的なフランジがその上に連続的な突起部を有する、請求項２２に記載のセル。
【請求項３０】
前記保持装置が圧力解放通気部材および接触ばねに圧縮力を加える折り曲げを有する、請求項２２に記載のセル。
【請求項３１】
前記保持装置が圧力解放通気部材の周辺部および接触ばねの周辺フランジに圧縮力を加える折り曲げを有する、請求項２９に記載のセル。
【請求項３２】
前記集電体アセンブリがさらに接触端子と、ガスケットと、前記接触端子と保持装置との間に配置された正の温度係数素子を備える、請求項３１に記載のセル。
【請求項３３】
前記保持装置と圧力解放通気部材とが一緒に結合されている、請求項３２に記載のセル。
【請求項３４】
正電極がFeS2を含み、負電極がリチウム金属を含む、請求項３３に記載のセル。
【請求項３５】
前記保持装置が実質的に円形の周辺の縁を有する、請求項３３に記載のセル。
【請求項３６】
筐体が円筒形である、請求項３３に記載のセル。
【請求項３７】
電気化学セルであって、筐体と、正電極、負電極および電極間に配置されたセパレータを備える電極アセンブリと、電解質とを備え、
前記筐体が、
電極アセンブリおよび電解質が配置されている、開放端を持つ容器と、
電極アセンブリと筐体の開放端との間に配置された集電体アセンブリと
を備え、
前記集電体アセンブリが
最初の開口を規定する保持装置と、
２番目の開口を規定する周辺フランジを備えた接触ばねと、
前記最初と２番目の開口は圧力解放チャネルを規定するが、
保持装置と接触ばねとの間に配置された周辺部分を持ち、最初の開口と２番目の開口との間に配置された圧力解放チャネルを閉じている圧力解放部材と、
前記圧力解放部材は少なくとも規定の解放圧力の大きさの内部セル圧力に反応して破れ、それによって物質が保持装置の最初の開口を通って逃げることができるが、
圧力解放部材と保持装置との間の密封手段とを
備えた、前記電気化学セル。
【請求項３８】
前記密封手段が保持装置、接触ばね、および圧力解放通気部材の周辺部分の協力により生じる圧縮力を備える、請求項３７に記載のセル。
【請求項３９】
前記密封手段が、接触ばねの周辺フランジおよび圧力解放通気部材の周辺部分に対する保持装置における折り曲げを備える、請求項３８に記載のセル。
【請求項４０】
圧力解放通気部材と保持装置との間の圧縮力が減少したとき、集電体アセンブリが圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を維持するための手段を備える、請求項３９に記載のセル。
【請求項４１】
圧力解放通気部材と保持装置との間の密封を維持するための手段が、２番目の開口の周りを完全に囲む、接触ばねの周辺フランジ内に、連続的な突起を含む、請求項４０に記載のセル。
【請求項４２】
正電極がFeS2を含み、負電極がリチウム金属を含む、請求項３７に記載のセル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−８９５１５（Ｐ２０１２−８９５１５Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８０８８１（Ｐ２０１１−２８０８８１）
【出願日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【分割の表示】特願２００７−５１０８８６（Ｐ２００７−５１０８８６）の分割
【原出願日】平成１７年４月２６日（２００５．４．２６）
【出願人】（３９７０４３４２２）エバレデイ バツテリ カンパニー インコーポレーテツド (123)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【分割の表示】特願２００７−５１０８８６（Ｐ２００７−５１０８８６）の分割
【原出願日】平成１７年４月２６日（２００５．４．２６）
【出願人】（３９７０４３４２２）エバレデイ バツテリ カンパニー インコーポレーテツド (123)
【Ｆターム（参考）】
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