電池セパレータ及び電池

专利摘要:
局部的に強化された領域を有するチューブ状の電池セパレータを含有する電池が供給される。強化された領域はチューブ状のセパレータの開放端部に隣接する折り畳まれた領域を含むことで提供することができる。
公开号:JP2011508955A
申请号:JP2010541132
申请日:2009-01-07
公开日:2011-03-17
发明作者:ロバート、アラン、ヨッポロ
申请人:ザ ジレット カンパニー；
IPC主号:H01M2-18

专利说明:

[0001] 本発明は電池セパレータ及び電池に関する。]
背景技術

[0002] 電池、又は電気化学セル、例えば１次アルカリ電池又は２次リチウム電池は、一般的に使用されている電気エネルギー供給源である。電池は、通常アノードと呼ばれる負電極と、通常カソードと呼ばれる正電極と、を含有する。アノードは、酸化し得る活性物質を含有し、カソードは、還元し得る活性物質を含有又は消費する。アノード活性物質は、カソード活性物質を還元することができる。アノード物質とカソード物質との直接反応を防ぐために、アノードとカソードはセパレータにより互いに電気的に絶縁されている。]
[0003] 電池が、装置の中の電気エネルギー供給源として使用されるとき、アノード及びカソードとの間に電気接触が行われ、電子が装置を貫流することを可能にし、それぞれ酸化及び還元反応を生じさせて電力を提供できるようにする。アノード及びカソードと接触している電解質は、電極間のセパレータを貫流するイオンを含有することで、放電中における電池全体の荷電平衡を維持する。]
[0004] 最近では、アルカリ電池において、出来る限り薄いセパレータ材料を使用することに対する関心が高まっている。チューブ状の設計が一般的に最も体積効率が高く、最も優れた放電効率の可能性を提供する。セルにおいて、セパレータ材料の量を最小化することが望ましく、そのため、継ぎ目の重なりが小さい、１の巻数のセパレータ材料を含むチューブを有することが理想的である。]
発明が解決しようとする課題

[0005] しかし、プロセス上の制約により、薄い、軽量のセパレータ材料（例えば、坪量が４０ｇ／ｍ２未満、及び湿潤厚さが約０．２ｍｍ未満）を使用する場合は、アノードが継ぎ目から漏れないようにし、材料を貫通したショートに対する追加的保護を提供するために、一般的にチューブを１．２５〜２．２５の巻数で巻くことがより現実的である。壁の薄いチューブはまた弱い傾向があり、そのため、アノード材料が、封入されたアノード空洞の開放端部から流れ出すことがある。]
課題を解決するための手段

[0006] 本開示はチューブの端部が局部的に強化された領域を有するチューブ状セパレータを特徴とする。幾つかの実施形態では、この強化された領域は、セパレータ材料を重ねて折り畳むことで形成され、それが開放端部に配置される。この強化された領域はチューブの開放端部を硬くし、崩壊及び変形に対する追加的な保護を提供し、その結果、セルが落下、又は別の方法で誤用された際にアノード材料が流れ出ることに対する追加的保護を提供する。硬くされた領域を弱いセル開放端部に局部化することで、大部分のカソード柱に沿ってセパレータ材料を単一の層として維持できるため、放電効率が最大化される。折り畳まれたセパレータシートを使用してチューブを形成することは、連続動作の高速生産に好適である。チューブの開放端部を局部的に強化することで、巻数を最小化しつつ、非常に薄いセパレータ紙を使用することができる。例えば、セパレータ紙は巻数が１．２５〜２．２５の構造で、０．２ｍｍ未満の湿潤厚さ、及び０．０９ｍｍの乾燥厚さ、又は、場合によっては０．１ｍｍの湿潤厚さ、及び０．０６ｍｍの乾燥厚さを有し得る。]
[0007] １つの態様では、本発明は、通常、円筒状のハウジングと、ハウジング内に、カソード、アノード、及びカソードとアノードとの間に配置されたセパレータと、を備える電気化学セルを特徴とする。セパレータは開放端部を有するチューブの形状になっており、セパレータが開放端部に隣接した局部的に強化された領域を含む。]
[0008] いくつかの実施例は、次の特徴の１以上を含んでもよい。局部的に強化された領域はセパレータの折り畳まれた部分を含む。セパレータは紙を含む。セパレータは約０．１５ｍｍ未満の湿潤厚さを有する。折り畳まれた部分は、セルの長手方向軸に沿って測定した場合、約３〜１２ｍｍの幅を有する。チューブは２未満の巻数、又は、１．５未満の巻数でも形成される。セルはアルカリセルを含む。]
[0009] もう１つの態様では、当発明は、約０．３０ｍｍ未満の湿潤厚さを有し、チューブ状に形成された紙シート材を備える、電池セパレータを特徴とする。セパレータは開放端部を有し、前記セパレータは開放端部に隣接した局部的に強化された流域を含む。]
[0010] いくつかの実施は、次の特徴の１つ以上を含む。局部的に強化された領域はセパレータの折り畳まれた部分を含む。紙は、約０．１５ｍｍ未満の湿潤厚さを有する。折り畳まれた部分は、チューブの長手方向軸に沿って測定した場合、約３〜１２ｍｍの幅を有する。チューブは２未満の巻数、又は、１．５未満の巻数でも形成される。]
[0011] 本発明はまた、電気化学セルを形成する方法を特徴とする。その方法の１つは、シート材のエッジ領域を局部的に強化する工程と、シート材を、開放端部を有する中空のチューブに形成し、局部的に強化されたエッジをチューブの開放端部に配置する工程と、チューブを、電池缶において、カソード材料とアノード材料との間に配置する工程、とを含む。]
[0012] いくつかの実施例は、次の特徴の１以上を含んでもよい。カソード材料が、チューブが挿入されるチャンバを画定し、その方法が、アノード材料をチューブの開放端部に挿入する工程を更に含む。局部的な強化は、エッジ領域に折り畳まれて重なった部分を形成することを含む。シート材をチューブに形成する工程は、マンドリルの周りにシート材で２未満の巻数、又は１．５未満の巻数を形成することを含む。シート材をチューブに形成する工程は、開放端部の反対側に閉じた端部を形成することを更に含む。折り畳まれた部分は、チューブの長手方向軸に沿って測定された場合、約３〜１２ｍｍの幅を有する折り畳まれた部分の形成を含む。]
[0013] 本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付図及び以下の説明で明らかにする。本発明の他の特徴及び利点は、説明及び図面、並びに請求項から明らかになるであろう。]
図面の簡単な説明

[0014] 折り畳まれたセパレータシートの斜視図。
図１に示されたシートの折り畳まれた領域の拡大斜視図。
図１に示された折り畳まれたセパレータシートを使って形成されたチューブ状セパレータの斜視図で、重なって折り畳まれた領域を図示するために切断されている。
折り畳まれたセパレータシートと１．５未満の巻数を使ったチューブ状セパレータの斜視図。
折り畳まれたセパレータシートと１．２５未満の巻数を使ったチューブ状セパレータの斜視図。] 図１
[0015] 各種の図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。]
実施例

[0016] 好ましい実施形態では、折り畳まれたセパレータシートはチューブ状セパレータを形成するために使用され、それが、円筒状セル内のカソードとアノードの間に更に使用される。折り畳まれた領域はチューブの開放端部に配置され、脆弱な開放端部を硬くする。セパレータは、例えば紙など、電気化学セルのセパレータとしての使用に好適な柔軟なシート材で形成することができる。セパレータ材料は薄いことが好ましい。例えば、ＡＡ電池の場合、セパレータの湿潤厚さは０．３０ｍｍ未満であってよく、好ましくは０．２０ｍｍ未満、より好ましくは０．１０ｍｍ未満、及び、乾燥厚さは０．１０ｍｍ未満、好ましくは０．０７ｍｍ未満、及びより好ましくは０．０６ｍｍ未満であってよい。紙の坪量は一般的に約２０〜８０ｇ／ｍ２の範囲である。幾つかの好ましい実施形態では、紙は３５ｇ／ｍ２以下の坪量を有する。]
[0017] 図１と１Ａを参照すると、セパレータシート１０は折り畳まれた領域１２及び折り畳まれていない、単一層の領域１４を有するように図示されている。折り畳まれた領域１２は例えば、シートのエッジ１３で、セパレータシートをそれ自体に１８０度の角度で折り畳むことで形成することができ、それが最終的にチューブの開放端部を形成する。折り畳みは、任意の所望の技術を使って行うことができ、例えば、リールからトラックを通して紙を導き、当該トラック内で、例えばホイールを使い、巻き取りリール上で巻き上げるなどの方法で達成され得る。セパレータシート１０は材料の連続的ウェブの形状であってよい。] 図１
[0018] 折り畳みの幅（Ｗｆ、図１）は必要とされる硬さにより、その硬さはセパレータ材料の硬さ、セルのサイズ、及び特定のセル設計に必要とされる硬さによる。典型的に、折り畳みの幅は、約３〜１２ｍｍで、例えば、約３〜６ｍｍであり、折り畳みの幅は一般的に、他の要素（例えば、セパレータ材料）などが一定に保たれている場合は、セルの直径の増加にともなって増加する。比較的小さい直径のセル、例えばＡＡＡ及びＡＡセルの場合、折り畳みの幅は典型的にはセルの高さの約５％〜約２０％で、好ましくは約７％〜約１６％である。より大きい直径のセル、例えばＣ及びＤセルの場合、折り畳みの幅は典型的にはセルの高さの約１０％〜２５％で、好ましくは約１２％〜約２０％である。典型的なセルの高さ、及びこれらの標準セルサイズの典型的なカソード内径の範囲は以下の通りである。] 図１
[0019] 折り畳まれたセパレータシートは、その後、チューブワインダーに送られ、セパレータチューブとして形成される。好ましくは、折り畳まれたエッジはチューブの内径に向けて配置し、折り畳まれたエッジが挿入されたときにカソード柱にひっかからないようにする。]
[0020] 完成したセパレータチューブ１６、１６’は、図２〜４に図示されている。図２〜３では、セパレータチューブ１６は、セパレータシートを約１．５回巻くことで形成され、その結果、重なる領域はチューブの外周の周辺に約半分延びる。図４では、セパレータチューブはマンドリル周辺に１．２５の巻数巻かれ、継ぎ目を形成するためのわずかな重なり１８のみを伴なう単一壁のチューブを生成する。重なりの幅（Ｗｏ）は、シールされた継ぎ目を形成する、例えば、ヒートシール可能なセパレータ紙を用意し、その対向するエッジを突合せ溶接するなどのために必要な最低の幅でよい。しかし、ヒートシール可能な紙のコスト、及びその他の製造上の制約により、一般的により多くの重複（重なり部分が４分の１以上）が使用され、それにより、巻かれたチューブの端部を折り重ねることで底部を形成し、セパレータを、巻かれたチューブがまだマンドリル上にある状態で電池缶に挿入して、チューブを溶接無しで形成させる。] 図２ 図３ 図４
[0021] 別の方法としては、セパレータチューブは、別のディスク又はセパレータ材料の正方形によってチューブの底部を形成するプロセスを使って製造することができる。このプロセスでは、チューブのボディはマンドリル上に巻き取られ、別のディスク又は正方形がカソード柱の上部に配置され、マンドリルに巻きついたチューブが柱の開放端部に挿入され、それによりディスク又は正方形が底に押し込まれ、チューブの底の外周周辺にディスク又は正方形を形成する。]
[0022] 幾つかの実施形態では、セルはまずカソード材料のドーナツ型ペレットを缶に挿入し、次にセパレータチューブ（開放端部を上にした状態で）を、積み重なったペレットの開口部によって画定された空洞に挿入し、セパレータチューブの開放端部にアノード材料を挿入することで形成される。]
[0023] 他の実施形態
本発明の多数の実施形態を記載してきた。しかし、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な変更が行われてもよいと理解されるであろう。]
[0024] 例えば、上記では特定の寸法が記載されているが好ましい寸法は特定のセルの設計、セパレータの厚み、巻数、電池のサイズ（例えば、セルの高さや直径）、紙の特性、及び電池アセンブリにおいて、チューブの開放端部のキャプチャリングなどによって異なる。]
[0025] 更に、局部的な強化領域を作製する方法としてはセパレータを折り畳む方法が、一般的に最もコスト効率がいいが、他の方法を使用してもよい。例えば、増強ストリップをエッジ領域（折り畳まれた領域）沿いに接着させる、又は同じ領域に硬化コーティングを適用してもよい。]
[0026] 更に、所望される場合は、エッジを数回折り畳むこともでき、例えば、折り畳まれた部分をその部分の上に再度折り畳むことができる。]
[0027] セルは一次又は二次セルであってもよく、アルカリセル、又はその他の所望のセル用化学物質を有してもよい。ここに記載されている機能は、任意のタイプのボビン構造セルに好適である。]
[0028] したがって、その他の実施形態も、以下の特許請求の範囲の範疇にある。]

权利要求:

請求項1
通常、円筒状のハウジングと、前記ハウジング内に、カソード、アノード、及び前記カソードと前記アノードとの間に配置されたセパレータと、を備え、前記セパレータは開放端部を有するチューブの形状になっており、前記セパレータが前記開放端部に隣接した局部的に強化された領域を含む、電気化学セル。
請求項2
前記局部的に強化された領域が前記セパレータの折り畳まれた部分を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
請求項3
前記セパレータが紙を含む、請求項２に記載の電気化学セル。
請求項4
前記セパレータが約０．１５ｍｍ未満の湿潤厚さを有する、請求項１に記載の電気化学セル。
請求項5
前記折り畳まれた部分が、前記セルの長手方向の軸に沿って測定された場合、約３〜１２ｍｍの幅を有する、請求項２に記載の電気化学セル。
請求項6
前記チューブが、２未満の巻数、又は１．５未満の巻数で形成される、請求項１に記載の電気化学セル。
請求項7
前記セルがアルカリセルを含む、請求項１に記載の電気化学セル。
請求項8
チューブ状に形成された、約０．３０ｍｍ未満の湿潤厚さを有する紙シート材を備え、前記チューブが開放端部を有し、前記セパレータが前記開放端部に隣接した局部的に強化された流域を含む、電池セパレータ。
請求項9
前記局部的に強化された領域が前記セパレータの折り畳まれた部分を含む、請求項８に記載の電池セパレータ。
請求項10
前記紙が約０．１５ｍｍ未満の湿潤厚さを有する、請求項８に記載の電池セパレータ。
請求項11
前記折り畳まれた部分が、前記チューブの長手方向の軸に沿って測定された場合、約３〜１２ｍｍの幅を有する、請求項１０に記載の電池セパレータ。
請求項12
前記チューブが、２未満の巻数、又は１．５未満の巻数で形成される、請求項１に記載の電池セパレータ。
請求項13
シート材のエッジ領域を局部的に強化する工程と、前記シート材を、開放端部を有する中空のチューブに形成し、局部的に強化されたエッジをチューブの開放端部に配置する工程と、前記チューブを、電池缶において、カソード材料とアノード材料との間に配置する工程、とを含む、電気化学セル形成方法。
請求項14
前記カソード材料が、前記チューブが挿入されるチャンバを画定し、前記方法が、前記アノード材料を前記チューブの開放端部に挿入する工程を更に含む、請求項１３に記載の方法。
請求項15
局部的な強化が、前記エッジ領域に折り畳まれた部分を形成することを含む、請求項１３に記載の方法。