JP2017517113A

JP2017517113A - 少なくとも１種のカソード添加剤を含む電気化学セル用カソード

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Publication number: JP2017517113A
Application number: JP2016568963A
Authority: JP
Inventors: アレクサンダー、ボリス、シェルキン; フレディー、アーサー、バーナバス
Original assignee: デュラセル、ユーエス、オペレーションズ、インコーポレーテッド
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-05-18
Also published as: US11075382B2; US20150349344A1; WO2015183607A1; CN106716692A; JP6833518B2; US20210359307A1; AU2015267475A1; EP3149794A1; AU2015267475B2; CN106716692B; US12597611B2

Abstract

本発明は、カソードに関する。カソードは、電気化学的に活性なカソード材料および少なくとも１種のカソード添加剤を含む。少なくとも１種のカソード添加剤は、頭部基および少なくとも１つの炭化水素尾部基を含む。頭部基は、第２のｐ元素原子と結合している少なくとも１つのｐ元素原子を含む。少なくとも１つのｐ元素原子は、電気陰性度を有し、第２のｐ元素原子は、電気陰性度を有す。少なくとも１つのｐ元素原子の電気陰性度は、第２のｐ元素原子の電気陰性度とは異なる。

Description

本発明は、電気化学セル用カソードに関し、より具体的には、少なくとも１種のカソード添加剤を含む電気化学セル用カソードに関する。

電気化学セルまたは電池は、電気エネルギー源として広く使用されている。電池は、一般的にアノードと呼ばれる負極、および一般的にカソードと呼ばれる正極を含む。アノードは、酸化され得る活物質を含む。カソードは、還元され得る活物質を含む。アノード活物質は、カソード活物質を還元できる。セパレータは、アノードとカソードの間に配置されている。これらの要素は、一般的に金属から出来ている缶またはハウジング内に配置されている。

電池を電子デバイスで電気エネルギー源として使用する場合、アノードとカソードを電気的に接触させ、電子がデバイスを貫流するようにし、それぞれで酸化反応と還元反応を引き起こして電子デバイスへ電力を供給する。電解質は、アノードとカソードに接触している。電解質はアノードとカソードの間のセパレータを貫流するイオンを含み、放電中電池全体の電荷のバランスを維持する。

玩具、リモートコントロール、オーディオ装置、懐中電灯、デジタルカメラおよび写真撮影周辺装置、コンピューターゲーム、歯ブラシ、ラジオ、ならびに時計などの現代の電子デバイスに電力を供給するのにより適した電池を製造するニーズが高まっている。これらのニーズを満たすために、電池は、高充填量のアノード活物質およびカソード活物質を含むことにより、用量を増大し、有効寿命を延ばし得る。しかしながら、電池は、サイズが、電池サイズＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、およびＤなど、共通でもあるため、外形寸法が固定され、内部容積が制限されている。従って、性能が優れた電池を得るために活物質の充填量だけを増やす能力には限界がある。

電池に添加剤または添加剤の組み合わせを含めることは、評価されてきた他の設計特性である。例えば、界面活性剤などの添加剤は、例えば電池の放電性能を高めるように、電池に含められてきた。しかしながら、電池に添加剤を含めることには、問題がないわけではない。電池の電解質中での添加剤の溶解性が低いので、電池の放電性能を高めるために、かなり高い重量パーセントで添加剤を加えることがある。添加剤は、電解質の表面張力と粘性を高め、カソードの固体構造中に電解質が拡散することを妨げ得る。さらに、添加剤は、電解質のイオン導伝率を低下させるなど、電解質のバルク特性に好ましくない変化を与え得る。さらに、添加剤は、カソード活物質の表面上で吸収することにより、放電時の電池の駆動（ｒｕｎｎｉｎｇ）電位を下げ得る。

強アルカリ性電解質溶液を含む電解質溶液中で溶解性が高く、電解質の表面張力を低減し、カソード中への電解質の取り込みを改善し、電池の電解質中での物質移動を改善する、電池のカソード中で使用するための少なくとも１種の添加剤を提供するニーズが存在している。少なくとも１種のこのような添加剤を含む電池は、電源能力および有効寿命を含む電池の放電性能全体が高められていることを示すであろう。

一実施形態において、本発明は、カソードに関する。カソードは、電気化学的に活性なカソード材料および少なくとも１種のカソード添加剤を含む。少なくとも１種のカソード添加剤は、頭部基および少なくとも１つの炭化水素尾部基を含む。頭部基は、第２のｐ元素原子と結合している少なくとも１つのｐ元素原子を含む。少なくとも１つのｐ元素原子は、電気陰性度を有し、第２のｐ元素原子は、電気陰性度を有す。少なくとも１つのｐ元素原子の電気陰性度は、第２のｐ元素原子の電気陰性度とは異なる。

別の実施形態において、本発明は、電池に関する。電池は、ハウジング、アノード、カソード、アノードとカソードの間のセパレータ、および電解質を含む。カソードは、電気化学的に活性なカソード材料および少なくとも１種のカソード添加剤を含む。少なくとも１種のカソード添加剤は、頭部基および少なくとも１つの炭化水素尾部基を含む。頭部基は、第２のｐ元素原子と結合している少なくとも１つのｐ元素原子を含む。少なくとも１つのｐ元素原子は、電気陰性度を有し、第２のｐ元素原子は、電気陰性度を有す。少なくとも１つのｐ元素原子の電気陰性度は、第２のｐ元素原子の電気陰性度とは異なる。

本明細書は、本発明を形成するものとしてみなされる、主題を具体的に提示し明瞭に主張する特許請求の範囲で締めくくるが、添付の図面と合わせられる以下の説明から本発明をより良く理解することができると考えられる。

図１は、本発明のアルカリ一次電池の横断面である。図２は、電圧表示器を含む本発明のアルカリ一次電池の透視図である。

電気化学セルまたは電池は、一次または二次であり得る。一次電池は、例えば消耗するまで、一度だけ放電して、その後廃棄されるように意図されている。一次電池は、例えばＤａｖｉｄＬｉｎｄｅｎ，ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＢａｔｔｅｒｉｅｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，４ｔｈｅｄ．２０１１）に記載されている。二次電池は、再充電されるように意図されている。二次電池は、何度も、例えば、５０回、１００回、またはそれ以上を超えて、放電および再充電され得る。二次電池は、例えばＤａｖｉｄＬｉｎｄｅｎ，ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＢａｔｔｅｒｉｅｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，４ｔｈｅｄ．２０１１）に記載されている。従って、電池は様々な電対と電解質の組み合わせを含み得る。本明細書で与えられる説明と例は、概して、一次アルカリ電気化学セルまたは電池に関するものであるが、本発明は、水系または非水系の一次電池と二次電池の両方に適用され得ることが理解されるべきである。従って、水系または非水系の一次電池と二次電池の両方が、本出願の範囲内であり、本発明はあらゆる特定の実施形態に限定されない。

図１を参照すると、カソード１２、アノード１４、セパレータ１６、およびハウジング１８を含む一次アルカリ電気化学セルまたは電池１０が示されている。電池１０は、集電体２０、シール２２、およびエンドキャップ２４も含む。エンドキャップ２４は、電池１０の負端子として機能する。セルの正端子として機能する正極ピップ（ｐｏｓｉｔｉｖｅｐｉｐ）２６は、電池１０のエンドキャップ２４とは反対の端にある。電解質溶液は、電池１０全体に分散している。カソード１２、アノード１４、セパレータ１６、電解質、集電体２０、およびシール２２は、ハウジング１８内に含まれている。電池１０は、例えば、ＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、またはＤアルカリ電池であり得る。

ハウジング１８は、アルカリ一次電池で一般に使用されている粒来型の任意のハウジングであり得、例えば冷延鋼板またはニッケルめっきを施した冷延鋼板といった任意の適当な材料で作られていることができる。ハウジング１８は、円筒形状であっても良く、または任意のその他の適当な非円筒形状、例えば、長方形または四角形などの少なくとも２つの平行板を含む形状といった角柱形状であっても良い。例えば、ハウジング１８は、冷延鋼板またはニッケルめっき鋼板などの基材のシートから深絞り加工されていても良い。例えば、ハウジング１８は、円筒形状に絞り加工されていても良い。完成したハウジング１８は、少なくとも１つの開口端を有しても良い。完成したハウジング１８は、閉端および開口端とそれらの間の側壁を有しても良い。ハウジング１８の内側側壁は、ハウジング１８の内側側壁と例えばカソード１２との間の電気接触抵抗が小さくなる材料で処理されていても良い。ハウジング１８の内側側壁とカソード１２の間の接触抵抗を減少させるように、ハウジング１８の内壁は、例えばニッケル、コバルトでメッキされていてもよく、および／または、炭素を添加した塗料を塗布されていても良い。

カソード１２は、１種以上の電気化学的に活性なカソード材料を含む。電気化学的に活性なカソード材料は、酸化マンガン、二酸化マンガン、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、化学二酸化マンガン（ＣＭＤ）、ハイパワー電解二酸化マンガン（ＨＰＥＭＤ）、ラムダ二酸化マンガン、ガンマ二酸化マンガン、ベータ二酸化マンガン、およびそれらの混合物を含み得る。その他の電気化学的に活性なカソード材料は、酸化銀、酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、酸化銅、ヨウ素酸銅などの銅塩、酸化ビスマス、高原子価のニッケル化合物、高原子価の鉄化合物、酸素、およびそれらの混合物を含むが、これらに限定はされない。酸化ニッケルは、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケル、脱リチウム化層状リチウムニッケル酸化物、部分的脱リチウム化層状酸化ニッケル、およびそれらの混合物を含み得る。水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルは、ベータオキシ水酸化ニッケル、ガンマオキシ水酸化ニッケル、および／またはベータオキシ水酸化ニッケルおよび／またはガンマオキシ水酸化ニッケルの連晶を含み得る。オキシ水酸化コバルトでコーティングされたオキシ水酸化ニッケルは、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたベータオキシ水酸化ニッケル、オキシ水酸化コバルトでコーティングされたガンマオキシ水酸化ニッケル、および／またはベータオキシ水酸化ニッケルおよびガンマオキシ水酸化ニッケルのオキシ水酸化コバルトでコーティングされた連晶を含み得る。高原子価のニッケル化合物は、例えば、四価のニッケルを含み得る。高原子価の鉄化合物は、例えば、六価の鉄を含み得る。

カソード１２は、炭素粒子などの導電性添加剤、およびバインダーを含み得る。炭素粒子をカソード中に含めて、電子がカソードを貫流するようにする。炭素粒子は、膨張黒鉛および天然黒鉛などの黒鉛、グラフェン、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、およびそれらの混合物であっても良い。カソード中の炭素粒子の量は、比較的少ないことが好ましく、例えば、約１０％未満、約７．０％未満、または約３．７５％未満が好ましく、または、約２．０％〜約３．５％など約３．５％未満でも好ましい。炭素レベルが低いことは、カソード１２の容積を増加させることもなく、（セル内で気体が生成するときに内圧が上昇しすぎることを防ぐため、特定のレベルで、または特定のレベル以上で維持されなければならない）完成した電池１０の空隙容量を減少させることもなく、カソード１２中に電気化学的に活性な材料を高充填で含めることを可能にする。適当な膨張黒鉛は、例えば、ティムカルカーボンアンドグラファイト（ＴＩＭＣＡＬＣａｒｂｏｎ＆Ｇｒａｐｈｉｔｅ）（スイスのボディオ（Ｂｏｄｉｏ））から入手可能なＢＮＢ−９０グラファイトであり得る。

カソード１２で使用しても良いバインダーの例として、ポリエチレン、ポリアクリル酸、またはＰＶＤＦもしくはＰＴＦＥなどのフッ化炭素樹脂が挙げられる。ポリエチレンバインダーの一例は、商標名ＣＯＡＴＨＹＬＥＮＥＨＡ−１６８１（ヘキスト（Ｈｏｅｃｈｓｔ）またはデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）から入手可能）で売られている。その他のカソード添加剤の例は、例えば、米国特許第５，６９８，３１５号、第５，９１９，５９８号、第５，９９７，７７５号、および第７，３５１，４９９号に記載されている。

カソード１２中の電気化学的に活性なカソード材料の量は、カソード充填量と呼ばれ得る。カソード１２の充填量は、電池１０中で使用される電気化学的に活性なカソード材料、および電池１０のセルサイズに依存して変わり得る。例えば、電気化学的に活性なカソード材料であるＥＭＤを有するＡＡ電池は、カソード充填量が少なくとも約９．０グラムのＥＭＤであっても良い。カソード充填量は、例えば、少なくとも約９．５グラムのＥＭＤであっても良い。カソード充填量は、例えば、約９．７グラム〜約１１．５グラムのＥＭＤであっても良い。カソード充填量は、約９．７グラム〜約１１．０グラムのＥＭＤであっても良い。カソード充填量は、約９．８グラム〜約１１．２グラムのＥＭＤであっても良い。カソード充填量は、約９．９グラム〜約１１．５グラムのＥＭＤであっても良い。カソード充填量は、約１０．４グラム〜約１１．５グラムのＥＭＤであっても良い。ＡＡＡ電池では、カソード充填量は、約４．０グラム〜約６．０グラムのＥＭＤであっても良い。ＡＡＡＡ電池では、カソード充填量は、約２．０グラム〜約３．０グラムのＥＭＤであっても良い。Ｃ電池では、カソード充填量は、約２５．０グラム〜約２９．０グラムのＥＭＤであっても良い。Ｄ電池では、カソード充填量は、約５４．０グラム〜約７０．０グラムのＥＭＤであっても良い。

電気化学的に活性なカソード材料、炭素粒子、およびバインダーなどのカソード成分を、水酸化カリウム水成電解質などの液体と組み合わせ、混合し、電池製品の製造に使用するために圧縮してペレットにしても良い。最適なカソードペレット加工のために、カソード材料は、水分レベルが約２．５％〜約５％の範囲であることが一般的に好ましく、約２．８％〜約４．６％の範囲であることがより好ましい。ペレットを電池製造プロセスでハウジング内に配置した後、通常再び圧縮して均一なカソードを形成する。

カソード１２は非膨張黒鉛を実質的に含まないことが一般的に好ましい。非膨張黒鉛粒子は、カソードペレット形成装置に潤滑性を与え得る。しかしながら、非膨張黒鉛は、膨張黒鉛より導電性が著しく低く、膨張黒鉛を含むカソードと同じカソード導伝率を得るために、よりたくさんの非膨張黒鉛を使用する必要があり得る。好ましくはないが、カソードは、低いレベルの非膨張黒鉛を含み得るが、このことにより、特定のカソード導電率を維持する限りは、黒鉛濃度を低減できないであろう。

カソード１２は、カソード製造時に計算され得る多孔度を有し得る。電池１０中のカソード１２の多孔度は、カソードの電解質湿潤と電池の放電に伴うカソードの膨張にとりわけ起因して経時的に変化するので、カソードの多孔度は、製造時に、例えば、カソードペレット加工後に計算し得る。カソードの多孔度は、以下のように計算し得る。各固形カソード成分の真の密度は、Ｌａｎｇｅ’ｓＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ（１６^ｔｈｅｄ．２００５）などの参考書から引用され得る。各カソード成分の固形分重量は、電池設計により規定されている。各カソード成分の固形分重量を各カソード成分の真の密度で割ることにより、カソード固形分容積を求め得る。電池中でカソードが占める容積もまた電池設計により規定されている。カソードが占める容積は、コンピューター援用設計（ＣＡＤ）プログラムにより計算され得る。多孔度は、以下の式により求め得る。
カソード多孔度＝［１−（カソード固形分容積÷カソード容積）］×１００

例えば、ＡＡ電池のカソード１２は、約１０．９０グラムの二酸化マンガンおよび約０．４０１グラムの黒鉛（ＢＮＢ−９０）をカソード１２中に固形分として含み得る。二酸化マンガンおよび黒鉛の真の密度は、それぞれ、約４，４５ｇ／ｃｍ^３、および約２．１５ｇ／ｃｍ^３であり得る。固形分の重量をそれぞれの真の密度で割ることにより、二酸化マンガンが占める容積が約２．４５ｃｍ^３、黒鉛が占める容積が約０．１９ｃｍ^３と求められる。全固形分容積は、約２．６４ｃｍ^３である。設計者は、カソード１２が占める容積を約３．４７３ｃｍ^３に選択できる。上記式［１−（２．６４ｃｍ^３÷３．４７３ｃｍ^３）］によりカソード多孔度を計算することにより、カソード多孔度は約０．２４または２４％と求められる。カソード多孔度は、約１５％〜約４５％であり得、約２２％〜約３５％であることが好ましい。

アノード１４は、少なくとも１種の電気化学的に活性なアノード材料、ゲル化剤、および有機および／または無機ガス発生防止剤などの少量のアノード添加剤から形成され得る。電気化学的に活性なアノード材料は、亜鉛、酸化亜鉛、水酸化亜鉛、カドミウム、鉄、それらの合金、およびそれらの混合物を含み得る。

アノード１４中の電気化学的に活性なアノード材料の量は、アノード充填量と呼ばれ得る。アノード１４の充填量は、電池中で使用される電気化学的に活性なアノード材料、および電池のセルサイズに依存して変わり得る。例えば、電気化学的に活性なアノード材料である亜鉛を有するＡＡ電池は、アノード充填量が少なくとも約３．３グラムの亜鉛であっても良い。アノード充填量は、例えば、少なくとも約４．０グラム、約４．３グラム、約４．６グラム、約５．０グラム、または約５．５グラムの亜鉛であっても良い。アノード充填量は、約４．０グラム〜約５．０グラムの亜鉛であっても良い。アノード充填量は、約４．２グラム〜約５．２グラムの亜鉛であっても良い。例えば、電気化学的に活性なアノード材料である亜鉛を有するＡＡＡ電池は、アノード充填量が少なくとも約１．９グラムの亜鉛であっても良い。例えば、アノード充填量は、約２．０グラム〜約２．１グラムの亜鉛であっても良い。例えば、電気化学的に活性なアノード材料である亜鉛を有するＡＡＡＡ電池は、アノード充填量が少なくとも約０．６グラムの亜鉛であっても良い。例えば、アノード充填量は、約０．７〜約１．０グラムの亜鉛であっても良い。例えば、電気化学的に活性なアノード材料である亜鉛を有するＣ電池は、アノード充填量が少なくとも約９．５グラムの亜鉛であっても良い。例えば、アノード充填量は、約１０．０〜約１５．０グラムの亜鉛であっても良い。例えば、電気化学的に活性なアノード材料である亜鉛を有するＤ電池は、アノード充填量が少なくとも約１９．５グラムの亜鉛であっても良い。例えば、アノード充填量は、約２０．０〜約３０．０グラムの亜鉛であっても良い。

使用しても良いゲル化剤の例として、ポリアクリル酸、カーボポール（Carbopol）などのジビニルグリコールのポリアルケニルエーテルで架橋されたポリアクリル酸、グラフト化デンプン物質、ポリアクリル酸の塩、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースの塩（例えば、カルボキシメチルセルロースナトリウム）、またはそれらの混合物が挙げられる。アノードは、ビスマス、スズ、またはインジウムなどの無機物を含み得るガス発生防止剤を含んでも良い。ガス発生防止剤は、リン酸エステルなどの有機化合物、イオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤、または両性界面活性剤も含み得る。

電解質は、カソード１２、アノード１４、およびセパレータ１６中に分散していても良い。電解質は、水溶液中でイオン導電性の成分を含む。イオン導電性成分は、水酸化物であっても良い。水酸化物は、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化セシウム、およびそれらの混合物であっても良い。イオン導電性成分は、塩も含み得る。塩は、例えば、塩化亜鉛、塩化アンモニウム、過塩素酸マグネシウム、臭化マグネシウム、およびそれらの混合物であっても良い。イオン導電性成分の濃度は、電池設計と電池の所望の性能に応じて選択され得る。アルカリ性水成電解質は、水溶液中でイオン導電性成分として水酸化物を含み得る。電解質中の水酸化物の濃度は、電池１０中の全電解質の重量基準で約０．２５〜約０．４０、または約２５％〜約４０％であっても良い。例えば、電解質の水酸化物の濃度は、電池１０中の全電解質の重量基準で約０．２５〜約０．３２、または約２５％〜約３２%であっても良い。アルカリ性水成電解質は、電解質中に溶解した酸化亜鉛（ＺｎＯ）も含み得る。ＺｎＯは、アノード中で亜鉛腐食を抑制するように機能し得る。電解質中に含まれるＺｎＯの濃度は、電池１０中の全電解質の約３重量％未満であっても良い。ＺｎＯの濃度は、例えば、電池１０中の全電解質の約１重量％〜約３重量％であっても良い。

ＡＡアルカリ性電池中のアルカリ性水成電解質の全重量は、例えば、約３．０グラム〜約４．０グラムであっても良い。ＡＡ電池中の電解質の全重量は、例えば、約３．３グラム〜約３．８グラムであっても良い。ＡＡ電池中の電解質の全重量は、例えば、約３．４グラム〜約３．６５グラムであっても良い。ＡＡＡアルカリ電池中のアルカリ性水成電解質の全重量は、例えば、約１．０グラム〜約２．０グラムであっても良い。ＡＡＡ電池中の電解質の全重量は、例えば、約１．２グラム〜約１．８グラムであっても良い。ＡＡＡ電池中の電解質の全重量は、例えば、約１．４グラム〜約１．６グラムであっても良い。

カソード１２は、少なくとも１種のカソード添加剤を含み得る。少なくとも１種のカソード添加剤は、４〜１０個の炭素原子を有する炭化水素尾部基に結合している頭部基を有する化合物であり得る。頭部基は、第２のｐ元素原子と結合している少なくとも１つのｐ元素原子を含み得る。少なくとも１つのｐ元素原子は、電気陰性度を有し、第２のｐ元素原子は、電気陰性度を有す。少なくとも１つのｐ元素原子の電気陰性度は、第２のｐ元素原子の電気陰性度とは異なり得る。ｐ元素は、ｐ軌道に少なくとも１つの電子を有する元素であり、例えば、ホウ素（Ｂ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、炭素（Ｃ）、および酸素（Ｏ）である。少なくとも１種のカソード添加剤は、ブレンステッド−ローリー酸である化合物であっても良い。少なくとも１種のカソード添加剤は、ルイス酸である化合物であっても良い。

少なくとも１種のカソード添加剤は、４〜１０個の炭素原子を有する炭化水素尾部基（疎水性基）に結合しているルイス酸頭部基（親水性基）を有する化合物であっても良い。本明細書で使用される場合、「ルイス酸」頭部基は、（１）完全に典型的なルイス酸である、および／または（２）電子不足に起因するルイス部位を含む。酸塩基反応のルイス理論において、塩基は電子対を与え、酸は電子対を受け取る。従って、ルイス酸は、非結合電子対を受け取ることができるＨ＋イオンなどのあらゆる実在物である。言い換えると、完全に典型的なルイス酸は、電子対受容体である。一部の分子は、ルイス部位と呼ばれる電子不足結合を有する。分子の価電子が少なすぎるときにルイス部位が生じて安定なオクテット構造を形成する。電子不足の化合物の例は、ボランであり、ボランは三中心二電子結合を有する化合物としてよく記載されている。このような種はルイス塩基（すなわち、孤立電子対源）と容易に反応し、安定な付加物が生じる。

任意の適当な炭化水素尾部基がここで使用され得る（例えば、アルカン炭化水素）。炭化水素尾部基は、４〜１０個の炭素原子を含んでも良い。炭化水素尾部基は、４〜８個の炭素原子または４〜６個の炭素原子を含んでも良い。炭化水素尾部基は、アルキル基、またはアリール基であり得る。アルキル基は、直鎖状または分岐状であっても良い。少なくとも１種のカソード添加剤のアルキル鎖は、ジアルキル、イソアルキル、アルケン、またはそれらの任意の組み合わせであっても良い。炭化水素尾部基は、ペルフルオロアルキル基などのフルオロカーボン基であっても良い。炭化水素尾部基は、植物由来または石油系油由来であっても良い。

電気陰性度は、分子内で電子を引きつける原子の能力である。（ＬｉｎｕｓＰａｕｌｉｎｇ， “ＴｈｅＮａｔｕｒｅｏｆｔｈｅＣｈｅｍｉｃａｌＢｏｎｄ，” ＴｈｉｒｄＥｄｉｔｉｏｎ（１９６０），ｐ．８８）ポーリングの電気陰性度は、Ｍ．ＪａｍｅｓａｎｄＭ．Ｐ．ＬｏｒｄｉｎＭａｃｍｉｌｌａｎ’ｓＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＰｈｙｓｉｃａｌＤａｔａ，Ｍａｃｍｉｌｌａｎ，Ｌｏｎｄｏｎ，ＵＫ，１９９２などの一般的な科学の参考書で見られ、本明細書で論じられるポーリングの電気陰性度は、この参考文献に基づいている。頭部基の第１の原子は、ポーリングの電気陰性度が２〜４の原子であっても良い。ポーリングの電気陰性度が２〜４の原子は、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｔｅ、Ｉ、Ｐｏ、Ａｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｇ、およびＡｕからなる群から選択され得る。あるいは、ポーリングの電気陰性度が２〜４の原子は、Ｂ、Ｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｓｅ、Ｂｒ、およびＩからなる群から選択され得る。

ルイス酸頭部基の第１の原子と尾部基の最も近い主鎖原子との間の化学結合は、濃アルカリ溶液中で非加水分解性である。この結合は、（供与共有結合または配位結合としても知られる）双極性結合（ｄｉｐｏｌａｒｂｏｎｄ）であり、２つの電子が同じ原子に由来する二中心二電子共有結合の一種である。（この場合では尾部基からの）ルイス塩基がルイス酸（頭部基）に電子対を与えるときに、双極性結合（ｄｉｐｏｌａｒｂｏｎｄ）が形成される。対照的に、標準的な共有結合の各原子は、電子１つに寄与する。

少なくとも１種のカソード添加剤は、ボロン酸であっても良い。ボロン酸は、例えば、以下の構造（１）により表され得る。構造（１）は、ホウ素（Ｂ）を含むルイス酸頭部基と、４〜８個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基Ｒとを含む。ホウ素は、２つのヒドロキシル（ＯＨ）化合物と結合していても良い。また、構造（１）のホウ素−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（ホウ素）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（ホウ素）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（酸素）の電気陰性度とは異なる。ボロン酸の非限定的な例として、ブチルボロン酸、ペンチルボロン酸、ヘキシルボロン酸、およびイソブチルボロン酸が挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、アミンオキシドであっても良い。アミンオキシドは、例えば、以下の構造（２）により表され得る。構造（２）は、水素原子Ｒ１およびＲ３と結合している窒素（Ｎ）と、４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基Ｒ２とを含む。また、構造（２）の窒素−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（窒素）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（窒素）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（ホウ素）の電気陰性度とは異なる。アミンオキシドの非限定的な例として、オクチルジメチルアミンオキシド、およびＮ，Ｎ−ジメチルノナン−１−アミンオキシドが挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、ホスフィンオキシドであっても良い。ホスフィンオキシドは、例えば、以下の構造（３）により表され得る。構造（３）は、酸素（Ｏ）原子と結合しているリン（Ｐ）原子、水素原子Ｒ１およびＲ３、ならびに４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基Ｒ２を含む。また、構造（３）のリン−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（リン）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（リン）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（ホウ素）の電気陰性度とは異なる。ホスフィンオキシドの非限定的な例として、ヘキシルジメチルホスフィンオキシド、オクチルジメチルホスフィンオキシド、およびデシルジメチルホスフィンオキシドが挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、スルホン酸であっても良い。スルホン酸は、例えば、以下の構造（４）により表され得る。構造（４）は、２つの酸素（Ｏ）原子と結合している硫黄（Ｓ）原子、ヒドロキシル（ＯＨ）化合物、および４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基Ｒを含む。Ｓ（＝Ｏ）２ＯＨ基は、水酸化スルホニルである。また、構造（４）の硫黄−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（酸素）の電気陰性度とは異なる。スルホン酸の非限定的な例として、オクチルスルホン酸、およびデシルスルホン酸が挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、スルホキシドであっても良い。スルホキシドは、例えば、以下の構造（５）により表され得る。構造（５）は、酸素（Ｏ）原子と結合している硫黄（Ｓ）原子、ならびに４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基ＲおよびＲ’を含む。Ｓ（＝Ｏ）基は、スルフィニルオキシドである。また、構造（５）の硫黄−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（酸素）の電気陰性度とは異なる。スルホキシドの非限定的な例として、ブチルメチルスルホキシド、ジブチルスルホキシド、およびメチルペンチルスルホキシドが挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、スルホンであっても良い。スルホンは、例えば、以下の構造（６）により表され得る。構造（６）は、２つの酸素（Ｏ）原子と結合している硫黄（Ｓ）原子、ならびに４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基ＲおよびＲ’を含む。また、構造（６）の硫黄−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（酸素）の電気陰性度とは異なる。スルホンの非限定的な例として、ブチルメチルスルホン、ジブチルスルホン、およびメチルペンチルスルホンが挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、スルタイン（sultaine）であっても良い。スルタイン（sultaine）は、例えば、以下の構造（７）により表され得る。構造（７）は、３つの酸素（Ｏ）原子と結合している硫黄（Ｓ）原子、および４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基Ｒ’を含む。構造（７）は、４〜１０個の炭素原子を有する直鎖状または分枝状アルキル鎖またはアリール鎖であり得る炭化水素尾部基Ｒ１と結合している窒素（Ｎ）原子も含む。また、構造（７）の硫黄−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（硫黄）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（酸素）の電気陰性度とは異なる。スルタイン（sultaine）の非限定的な例として、アルキルヒドロキシプロピルスルタイン（sultaine）が挙げられる。

少なくとも１種のカソード添加剤は、カルボン酸であっても良い。カルボン酸は、例えば、以下の構造（８）により表され得る。構造（８）は、酸素（Ｏ）原子と結合している炭素（Ｃ）原子、ヒドロキシル（ＯＨ）化合物、および一価の官能基であり得る炭化水素尾部基Ｒを含む。また、構造（８）の炭素−酸素頭部基は、第２のｐ元素原子（酸素）と結合している少なくとも１つのｐ元素原子（炭素）の一例である。少なくとも１つのｐ元素原子（炭素）の電気陰性度は、第２のｐ元素原子（酸素）の電気陰性度とは異なる。カルボン酸の非限定的な例として、ヘキシルカルボン酸、およびオクチルカルボン酸が挙げられる。

２種以上のカソード添加剤の混合物もカソード１２中に含まれていても良い。２種のカソード添加剤の重量比は、例えば、１対１、２対１、または３対１であっても良い。例えば、オクチルジメチルアミンオキシドとボロン酸は、両方ともカソード１２に加えられても良い。オクチルジメチルアミンオキシド対ボロン酸の重量比は、例えば、３対１であっても良い。

電池設計者は、空隙容量などの容積の制約を考慮に入れて、電池１０中の電気化学的に活性な材料の量、または電気化学反応に活発に寄与する材料の量の最大化を試みる。少なくとも１種のカソード添加剤は、電池のハウジング中の活物質に利用可能な容積を占有するであろう。カソード１２中で使用される少なくとも１種のカソード添加剤の量は、電池の組み立て後または放電時に電池１０に相乗効果を与えるのに十分でなければならない。しかしながら、カソード添加剤を、二酸化マンガンなどの活物質の含有に好ましくない影響を与えるレベルでカソード１２中に含めることはできない。設計の検討事項を考慮すると、カソード添加剤は、濃度がカソード１２の重量の約０．１５重量パーセント未満であり得る。例えば、少なくとも１種のカソード添加剤の濃度は、カソード１２の重量の約０．０１重量パーセント〜カソード１２の重量の約０．１２重量パーセントであっても良い。少なくとも１種のカソード添加剤の濃度は、カソード１２の重量の約０．０４重量パーセント〜カソード１２の重量の約０．０６重量パーセントであっても良い。

上述したように、カソード活物質、カソード導電助剤、およびバインダーを含み得るカソード１２は、多孔性構造であっても良い。電解質は、電池が効率的に放電するように、カソード１２の多孔性構造に効率的に浸透できなければならない。電解質は、カソード１２の固体成分に接触し、固体／液体の境界を形成しなければならない。カソード１２の多孔性構造に効率的に浸透する電解質の能力に影響を与え得る要素は、電解質の表面張力である。約７０ｍＮ／ｍを超える表面張力など高すぎる表面張力を有する電解質は、カソード１２の多孔性構造に十分に浸透して電気化学的に活性なカソード材料の効率的な放電をもたらすことができないことがある。カソード１２の多孔性構造中に拡散する電解質の能力は、濡れ性と呼ばれることがある。カソード構造中への電解質の移動を促進しにくいカソードの多孔性構造は、濡れ性が低いと言われる。逆に、カソード構造中への電解質の移動を促進しやすい多孔性構造は、濡れ得る（wettable）と言われる。

理論に拘束されることを望むものではないが、電解質がカソード１２の多孔性構造中に拡散するように、カソード１２中に組み込まれたカソード添加剤は、様々な電池の放電条件下、および様々な電池放電状態下で電解質の表面張力を低め得る。アルカリ一次電池中で起こる反応を論じて、この点をさらに説明することが有益である。

電気化学的に活性なカソード材料は、還元反応を経る。例えば、二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）が、カソード１２中の少なくとも１種の電気化学的に活性な材料であっても良い。二酸化マンガンは、電池１０の放電中に一連の２つの還元反応を経得る。カソード還元反応は、以下の反応ＩおよびＩＩにより表され得る。二酸化マンガンは、従来のように、反応Ｉ中でＭｎＯ_２として示されているが、二酸化マンガンは不定比性であり、二酸化マンガンの実際の化学式は、例えばおよそＭｎＯ_１．９６であることが当業者によく理解されている。従って、この反応に関与する電子の実際の数は、およそ０．９２である。反応Ｉは、第一電子放出ステップ（１−ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｅｐ）と一般に呼ばれる。反応ＩＩは、第二電子放出ステップ（２ｎｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｅｐ）と一般に呼ばれる。
ＭｎＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋ｅ→ＭｎＯＯＨ＋ＯＨ⁻ （Ｉ）
３ＭｎＯＯＨ＋ｅ→Ｍｎ_３Ｏ_４＋ＯＨ⁻＋Ｈ_２Ｏ（ＩＩ）

反応Iは、電池放電の最初の段階の間に通常起きる。反応IIは、電池１０の対応する低い開路電圧から明らかであるように電池１０が顕著な程度に放電されているときに起きる。反応IIは、反応Iと比べて、電池１０の放電能力全体への寄与が相対的に小さい。

電気化学的に活性なアノード材料は、酸化反応を経る。例えば、亜鉛が、アノード１４中の少なくとも１種の電気化学的に活性な材料であっても良い。亜鉛は、電池１０の放電中に一連の３つのアノード反応を経得る。アノード反応は、以下の反応ＩＩＩ、ＩＶ、およびＶにより表され得る。
Ｚｎ＋４ＯＨ⁻→Ｚｎ（ＯＨ）_４ ^２−＋２ｅ（ＩＩＩ）
Ｚｎ＋２ＯＨ⁻→Ｚｎ（ＯＨ）_２＋２ｅ（ＩＶ）
Ｚｎ（ＯＨ）_２→ＺｎＯ＋Ｈ_２Ｏ（Ｖ）

反応ＩＩＩは、放電の最初の段階の間に通常起きる。電池１０の放電にしたがって、電池１０のアノード１４中の電解質は反応ＩＩＩにより生じている亜鉛酸塩［Ｚｎ（ＯＨ）_４ ^２−］で飽和するようになる。反応ＩＶは、電解質中での亜鉛酸塩の飽和時点の辺りで始まり得る。電池１０が放電を続けると、アノード１４中で利用可能な水が枯渇するようになる。反応Ｖは、水の枯渇時点の辺りで始まり得る。結果的に、水酸化亜鉛［Ｚｎ（ＯＨ）_２］は、脱水して酸化亜鉛（ＺｎＯ）となり得る。

反応Ｉでは、二酸化マンガンの還元が、水（Ｈ_２Ｏ）を消費する。水の源は、電池１０中の電解質である。ヒドロキシルイオン（ＯＨ⁻）の放出は、還元反応からもたらされ得る。カソード１２中でヒドロキシルイオンの濃度が上昇すると、ヒドロキシルイオンは、アノード１４へ拡散するようになる。ヒドロキシルイオンは、アノード１４で反応ＩＩＩまたは反応ＩＶを介して亜鉛（Ｚｎ）と反応して、亜鉛酸塩［Ｚｎ（ＯＨ）_４ ^２−］または水酸化亜鉛［Ｚｎ（ＯＨ）_２］のいずれかを形成し得る。

電池１０中で起きる反応全体は、第一電子放出ステップ（１−ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｅｐ）または第二電子放出ステップ（２^ｎｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｓｔｅｐｄｉｓｃｈａｒｇｅ）がカソード１２中で起きているかどうかに依存し得る。第一電子放出ステップ（１−ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｅｐ）の間、反応全体は、以下の反応ＶＩにより表され得る。第二電子放出ステップ（２^ｎｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｅｐ）の間、反応全体は、以下の反応ＶＩＩにより表され得る。
２ＭｎＯ_２＋Ｚｎ＋２Ｈ_２Ｏ→２ＭｎＯＯＨ＋Ｚｎ（ＯＨ）_２（ＶＩ）
３ＭｎＯ_２＋２Ｚｎ→Ｍｎ_３Ｏ_４＋２ＺｎＯ（ＶＩＩ）

反応全体を起こさせるには、十分な量の水が存在しなければならないことが、反応IおよびVIから分かる。アルカリ性水成電解質は、放電前の電池１０中の水の源である。放電前の電解質中の水酸化物の濃度は、反応IおよびVIを支持するのに十分でなければならない。また、電解質中の水酸化物の濃度は、電池１０の放電に伴い変化し得る。カソード１２の多孔性構造中などの電解質の物質移動は、動的であり、電池１０の放電率などの様々な要因に依存している。

カソード１２の放電中に生じるヒドロキシルイオンが電解質溶液に入り、濃度勾配を生み、電池１０のアノード１４へ拡散し移動するように、電解質はカソード１２の二酸化マンガンと接触していなければならない。放電前に、電解質の表面張力は、電解質がカソード１２の多孔性構造に効果的に浸透できるような表面張力であり得る。しかしながら、電解質の表面張力は、電池１０の放電中に変化し得る。放電中の含水量またはヒドロキシルイオン濃度の変化は、例えば、電解質の表面張力を増加させ得る。電解質は、例えば、カソード１２の多孔性構造を通って移動することが困難であり得る。電気化学的に活性なカソード材料の表面は、十分に濡れていないことがある。アノード１４へと電解質中を拡散および／または移動するヒドロキシルイオンの能力は、例えば、低減され得る。放電時の電池１０の性能低下がもたらされ得る。

少なくとも１種のカソード添加剤は、例えば含水水酸化カリウムなどの共アルカリ性電解質といった電解質中で溶解性であり得る。電解質中で高溶解性の少なくとも１種のカソード添加剤は、電解質がカソード１２の固形成分と接触して直ぐに電解質に溶解可能であり得る。結果的に、電解質の表面張力は、より迅速に低下させられ得、電解質は、より素早く効率的にカソード固形分を濡らし得、放電性能の向上がもたらされ得る。少なくとも１種のカソード添加剤は、ＥＭＤなどの酸化剤およびその他の電気化学的に活性なカソード材料の存在下でアルカリ性溶液中で安定であり得る。酸化剤の存在下で強アルカリ性溶液中で安定な添加剤は、より長い時間に亘って電解質の表面張力を低下させる能力を保持し得る。

水酸化カリウム水成電解質などの液体の動的表面張力は、張力計を使用して測定し得る。張力計は泡圧法により液体の動的表面張力を測定し得る。泡圧法は、空気などの気体を分析する液体に注入することを含む。気体は、液体中に浸された細管を通って液体に入る。気体と液体の間の圧力差が、いくつかの気体流速で記録される。気泡形成に必要な各流速での圧力の差は、以下に再現されるように、ヤング−ラプラスの式により液体の表面張力に比例する。

式中、Δｐは、立方メートル当りのニュートン（Ｎ／ｍ^２）で表した、液体中での気泡の内側の圧力と気泡の外側の圧力との間の圧力差であり、ｄは、メートル（ｍ）で表した細管の直径であり、σは、メートル当りのニュートン（Ｎ／ｍ）で表した液体の表面張力である。液体の動的表面張力は、各流速についてヤング−ラプラスの式を使用して、各気体流について計算される。気泡寿命は、各気泡の形成の間に経過した時間に等しく、各流速について記録される。計算した動的表面張力値は、気泡寿命に対してプロットされる。

液体の動的表面張力を測定する方法は、一般に以下のステップ：（１）張力計の校正；（２）張力計の細管の洗浄；および（３）液体の動的表面張力と気泡寿命の張力計を用いた測定を含み得る。液体の動的表面張力の張力計を用いた測定方法は、例えば、米国材料試験協会規格ＡＳＴＭＤ３８２５−０９に一般に従い得る。

ＳＩＴＡＭｅｓｓｅｔｅｃｈｎｉｋＧｍｂＨ（ドイツのドレスデン）より入手可能なＳＩＴＡｓｃｉｅｎｃｅｌｉｎｅｔ６０張力計を使用して、電解質溶液などの液体の動的表面張力を測定し得る。ＳＩＴＡＭｅｓｓｅｔｅｃｈｎｉｋの指示書に従って、張力計を校正モード（ＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｄｅ）にして、ｔ６０張力計を校正し得る。ＳＩＴＡｓｃｉｅｎｃｅｌｉｎｅｔ６０Ｍａｎｕａｌ，ｐ．４，Ｓｅｃｔｉｏｎ１２．１を参照されたい。５０ｍＬビーカーなどのガラス容器に入れた約２５ｍＬの脱イオン化した（ＤＩ）水中に張力計の細管の先端を配置することによって校正が完了する。細管の先端は、張力計の温度プローブにあるマークにより示されている製造業者が推奨する深さまで溶液中に延びているべきである。ＤＩ水の温度は、約２０℃〜約３０℃であるべきである。

次に、ＳＩＴＡＭｅｓｓｅｔｅｃｈｎｉｋの指示書に従って、張力計を洗浄モード（Cleaning Mode）にして、ｔ６０張力計を洗浄し得る。Id., p. 20, Section 12.4を参照されたい。まず、細管をＤＩ水でリンスし得る。５０ｍＬビーカーなどのガラス容器に入れた約２５ｍＬの脱イオン化した（ＤＩ）水中に張力計の細管の先端を配置することによって洗浄が完了する。細管の先端は、張力計の温度プローブにあるマークにより示されている製造業者が推奨する深さまで溶液中に延びているべきである。ＤＩ水の温度は、約２０℃〜約３０℃であるべきである。空気は、約２分間で張力計の細管を通って直ぐに気泡となる。

次に、ｔ６０張力計を使用して、分析する溶液の動的表面張力を得ることができる。ＳＩＴＡＭｅｓｓｅｔｅｃｈｎｉｋの指示書に従って、張力計を自動測定モード（Auto-Measurement Mode）にして、データを得ることができる。Id., p. 18, Section 12.3を参照されたい。５０ｍＬビーカーなどのガラス容器に入れた約２５ｍＬの溶液中に張力計の細管の先端を配置することによって自動測定が完了する。細管の先端は、張力計の温度プローブにあるマークにより示されている製造業者が推奨する深さまで溶液中に延びているべきである。分析する溶液の温度は、約２０℃〜約３０℃であるべきである。自動測定は、約三十（３０）ミリ秒〜約十（１０）秒の気泡寿命の範囲をカバーし得る。次に、気泡寿命の範囲に亘って分析する溶液の動的表面張力が記録され得る。

電解質溶液の動的表面張力は、上記の方法により測定し得る。含水水酸化カリウムなどの電解質の動的表面張力は、例えば、約１０秒の気泡寿命で約８０ｍＮ／ｍ〜約９５ｍＮ／ｍであり得る。少なくとも１種のカソード添加剤は、電解質の表面張力を約１０秒の気泡寿命で約３５ｍＮ／ｍ未満に低減し得る。例えば、少なくとも１種のカソード添加剤は、電解質の表面張力を約１０ｍＮ／ｍ〜約２８ｍＮ／ｍ、例えば約２５ｍＮ／ｍに低減し得る。１０秒の気泡時間内に電解質の表面張力を低減する少なくとも１種のカソード添加剤は、中率および低率放電試験下で電池性能を改善し得る。少なくとも１種のカソード添加剤は、放電前および放電中に電解質の表面張力を低下させ得る。

含水水酸化カリウムなどの電解質の表面張力は、例えば、約０．１秒の気泡寿命で約８０ｍＮ／ｍ〜約９５ｍＮ／ｍであり得る。少なくとも１種のカソード添加剤は、電解質の表面張力を約０．１秒の気泡寿命で約４０ｍＮ／ｍ未満に低減し得る。例えば、少なくとも１種のカソード添加剤は、電解質の表面張力を約１０ｍＮ／ｍ〜約４７ｍＮ／ｍ、例えば約４０ｍＮ／ｍに低減し得る。０．１秒の気泡時間内に電解質の表面張力を低減する少なくとも１種のカソード添加剤は、高率、中率、および低率放電試験下で電池性能を改善し得る。理論に拘束されることを望むものではないが、より短い期間、例えばより短い気泡寿命で電解質の表面張力を低下させるカソード添加剤の能力により、電解質の表面張力を相対的に短い期間で低減し、それに続いて、放電中のカソード１２の多孔性構造への電解質の物質移動をより速くすることが可能になり得る。

セパレータ１６は、電解質で濡れ得る、または濡れている材料を含む。液体と表面の間の接触角が９０°未満であるとき、または液体が表面に自発的に広がる傾向があるときに、材料は、液体で濡れていると言われ、この条件の両方が通常共存する。セパレータ１６は、織紙、不織紙、または織物を含み得る。セパレータ１６は、不織材料の層と組み合わされたセロファンなどの層を含み得る。セパレータ１６は、追加の不織材料の層も含み得る。また、セパレータ１６は、電池１０中にそのまま形成されても良い。例えば、米国特許第６，５１４，６３７号が、このようなセパレータ材料、およびセパレータ材料の潜在的に適当な適用方法を開示している。セパレータ材料は薄くても良い。セパレータ１６は、例えば、乾燥材料の厚さが、２５０マイクロメートル（ミクロン）未満であっても良い。セパレータ１６は、例えば、乾燥材料の厚さが、１００ミクロン未満であっても良い。セパレータ１６は乾燥材料の厚さが約７０ミクロン〜約９０ミクロンであることが好ましく、約７０ミクロン〜約７５ミクロンであることがより好ましい。セパレータ１６は、坪量が４０ｇ／ｍ^２以下である。セパレータ１６は、坪量が約１５ｇ／ｍ^２〜約４０ｇ／ｍ^２であることが好ましく、約２０ｇ／ｍ^２〜約３０ｇ／ｍ^２であることがより好ましい。セパレータ１６は、透気度を有し得る。セパレータ１６は、国際標準化機構（ＩＳＯ）規格２９６５に定義されている透気度を有し得る。セパレータ１６の透気度は、１ｋＰａで約２０００ｃｍ^３／ｃｍ^２〜１ｋＰａで約５０００ｃｍ^３／ｃｍ^２であっても良い。セパレータ１６の透気度は、１ｋＰａで約３０００ｃｍ^３／ｃｍ^２〜１ｋＰａで約４０００ｃｍ^３／ｃｍ^２であっても良い。セパレータ１６の透気度は、１ｋＰａで約３５００ｃｍ^３／ｃｍ^２〜１ｋＰａで約３８００ｃｍ^３／ｃｍ^２であっても良い。

集電体２０は、当業で公知の任意の方法により、特定の電池設計に適する任意の形状へと作製され得る。集電体２０は、例えば、爪様形状であっても良い。集電体２０は、円柱状本体、および円柱状本体の一端に位置する頭部を有しても良い。集電体２０は、亜鉛、銅、黄銅、銀、またはその他の適当な材料などの金属から作られていても良い。集電体２０は、スズ、亜鉛、ビスマス、インジウム、または、集電体２０と例えばアノード１４との間の電気接触抵抗が小さく、気体形成を抑制する能力を呈するその他の適当な材料で所望によりメッキされていても良い。

シール２２は、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエーテルウレタンなどのポリマー、ポリマー複合材料、およびそれらの混合物を所定の寸法を有する形状に射出成形することにより製造され得る。シール２２は、例えば、ナイロン６，６、ナイロン６，１０、ナイロン６，１２、ポリプロピレン、ポリエーテルウレタン、コポリマー、ならびにそれらの複合材料および混合物から作られていても良い。射出成形法の例として、コールドランナー法とホットランナー法の両方が挙げられる。シール２２は、可塑剤、結晶核剤、抗酸化剤、離型剤、潤滑剤、および帯電防止剤などのその他の公知の機能材料を含んでも良い。また、シール２２は、シーラントでコーティングされていても良い。シール２２は、電池１０中で使用前に湿らされていても良い。シール２２は、例えば、シール材料に依存して、含水率が約１．０重量パーセント〜約９．０重量パーセントであっても良い。集電体２０は、シール２２の中へ挿通されていても良い。

エンドキャップ２４は、それぞれの電池を閉じるのに十分な任意の形状で形成され得る。エンドキャップ２４は、例えば、円筒形状または角柱形状であっても良い。エンドキャップ２４は、適当な寸法の所望の形状に材料を圧縮することにより形成され得る。エンドキャップ２４は、電池１０の放電中に電子を伝導し得る任意の適当な材料から作られていても良い。エンドキャップ２４は、例えば、ニッケルめっき鋼板またはスズめっき鋼板から作られていても良い。エンドキャップ２４は、集電体２０と電気的に接続されていても良い。エンドキャップ２４は、例えば、集電体２０に溶接されることによって、集電体２０と電気的に接続しても良い。エンドキャップ２４は、電池１０中のガス発生事象の間、例えば、孔の破裂をもたらし得る装置内での電池の重放電または転極の間にエンドキャップ２４の下で増大され得る気体の圧力を抜くための穴などの１つ以上の開口（図示せず）も含んでもよい。

シールされた電池１０は、固定された内部容積を有するようになる。カソード１２、アノード１４、セパレータ１６、電解質、集電体２０、およびシール２２は、電池１０がシールされた後、電池１０の内部容積のかなりの部分を占めるようになる。しかしながら、電池１０の全内部容積は、これらの材料により占められることにはなり得ない。カソードとアノードの半電池反応、例えば反応Iならびに反応III、IV、およびVの生成物は、それぞれの反応の反応物よりも大きな容積を占め得る。例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）は密度が５．６０７ｇ／ｃｍ^３であり、一方で、亜鉛は密度が７．１４ｇ／ｃｍ^３である。従って、１グラムの酸化亜鉛は、１グラムの亜鉛よりもおよそ２７％大きなスペースを占める。電池設計者は、通常、放電の前の反応物と放電完了後の生成物により占められる容積を測定して、容積変化を測定し得る。電池設計者は、通常、放電後の電池１０中に空隙容量と呼ばれるある程度の非占有容積を選択し得る。非占有容積は、とりわけ、放電後に電池１０に働く内部応力を低め、放電後の漏れおよび／または電池が装置内の空隙に詰まるようになる可能性を緩和するのに役立ち得る。

ここで図２を参照すると、ラベル３４を含む電池１０が示されており、ラベル３４は、電池１０の電圧、容量、充電状態、および／または電力を例えば測定する、ラベル中に組み込まれた表示器またはテスター３６を有す。ラベル３４は、ラベルの図および文字列を有する透明層または半透明層を有する積層多層フィルムであっても良い。ラベル３４は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、およびその他の類似のポリマー材料から作られていても良い。テスター３６は、例えば、サーモクロミック表示器またはエレクトロクロミック表示器を含み得る。サーモクロミック電池テスターにおいて、表示器は、ハウジングと電池のエンドキャップとに電気的に接触して配置され得る。消費者は、サーモクロミックテスターに含まれる電気回路中に位置するスイッチを手動で押下することにより表示器を起動させる。スイッチを押下すると、消費者は、エンドキャップを介した電池のアノードを、ハウジングを介した電池のカソードと、サーモクロミックテスターにより接続させたことになる。サーモクロミックテスターは、可変幅を有するため抵抗が長さに応じて変化もする銀導体を含み得る。電流が銀導体を通り抜けるときに、電流は、銀導体を覆っているサーモクロミックインクディスプレイの色を変える熱を生成させる。サーモクロミックインクディスプレイは、電池の相対容量を例えば示すゲージとして配置されていても良い。電流が大きいほど、より多くの熱が生成し、ゲージがより変化して電池が良好であることを示すようになる。

組み立てたＡＡアルカリ一次電池の性能試験
以下の表１で対照と呼ばれる従来電池を組み立てて、本発明の効果を電池放電性能について比較する。電池はアノードを含む。アノードは、４．８５グラムの亜鉛、０．０２７グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．００６グラムの腐食防止剤を含む。電池はカソードを含む。カソードは、１０．９０グラムのＥＭＤおよび０．４０１グラムのＴＩＭＣＡＬＢＮＢ−９０グラファイトを含む。セパレータを、アノードとカソードの間に挿入する。アノード、カソード、およびセパレータを、円筒形状のＡＡサイズのハウジングに挿入する。水成アルカリ性水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質を、酸化亜鉛（ＺｎＯ）添加剤と共に、ハウジング中のアノード、カソード、およびセパレータ中に分散させる。電解質のＫＯＨの全重量は、１．１０７グラムである。電解質の水の全重量は、２．４５０グラムである。電解質のＺｎＯの全重量は、０．０５４グラムである。次に、ハウジングをシールして電池の組み立てプロセスを完了させる。

以下の表１で電池Ａと呼ばれる例示電池を組み立てて、本発明の効果を電池放電性能について比較する。電池はアノードを含む。アノードは、４．８６グラムの亜鉛、０．０２７グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．００５グラムの腐食防止剤を含む。電池はカソードを含む。カソードは、０．００８グラムの４つの炭素原子を有するボロン酸（ＢＡ４）カソード添加剤、１０．９３グラムのＥＭＤ、および０．４００グラムのＴＩＭＣＡＬＢＮＢ−９０グラファイトを含む。セパレータを、アノードとカソードの間に挿入する。アノード、カソード、およびセパレータを、円筒形状のＡＡサイズのハウジングに挿入する。水成アルカリ性水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質を、酸化亜鉛（ＺｎＯ）添加剤と共に、ハウジング中のアノード、カソード、およびセパレータ中に分散させる。電解質のＫＯＨの全重量は、１．１０８グラムである。電解質の水の全重量は、２．４４７グラムである。電解質のＺｎＯの全重量は、０．０５３グラムである。次に、ハウジングをシールして電池の組み立てプロセスを完了させる。

以下の表１で電池Ｂと呼ばれる例示電池を組み立てて、本発明の効果を電池放電性能について比較する。電池はアノードを含む。アノードは、４．８４グラムの亜鉛、０．０２６グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．００５グラムの腐食防止剤を含む。電池はカソードを含む。カソードは、０．００８グラムの８つの炭素原子を有するＮ，Ｎ−ジメチルノナン−１−アミンオキシド（ＡＯ８）カソード添加剤、１０．９７グラムのＥＭＤ、および０．４０５グラムのＴＩＭＣＡＬＢＮＢ−９０グラファイトを含む。セパレータを、アノードとカソードの間に挿入する。アノード、カソード、およびセパレータを、円筒形状のＡＡサイズのハウジングに挿入する。水成アルカリ性水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質を、酸化亜鉛（ＺｎＯ）添加剤と共に、ハウジング中のアノード、カソード、およびセパレータ中に分散させる。電解質のＫＯＨの全重量は、１．１０５グラムである。電解質の水の全重量は、２．４４５グラムである。電解質のＺｎＯの全重量は、０．０５３グラムである。次に、ハウジングをシールして電池の組み立てプロセスを完了させる。

性能試験は、ＡＮＳＩ／ＩＥＣ電動式玩具試験（玩具試験）と呼ばれ得る放電性能試験を含む。玩具試験プロトコルは、１時間に３．９オームの定荷重を適用することを含む。次に、電池は、２３時間の期間休止する。０．８ボルトのカットオフ電圧に到達するまで、このサイクルを繰り返す。次に、達成された実動時間を記録する。玩具試験は、中率放電試験である。

性能試験は、ＡＮＳＩ／ＩＥＣＣＤプレーヤーおよびコンピューターゲーム試験（ＣＤプレーヤー試験）と呼ばれ得る放電性能試験も含む。ＣＤプレーヤー試験プロトコルは、１時間に０．２５アンペアの定荷重を電池に適用し、次に電池を２３時間の期間休止させることを含む。０．９ボルトのカットオフ電圧に到達するまで、このサイクルを繰り返す。次に、達成された実動時間を記録する。ＣＤプレーヤー試験は、中率放電試験である。

性能試験は、ＡＮＳＩ／ＩＥＣオーディオ試験（オーディオ試験）と呼ばれ得る放電性能試験も含む。オーディオ試験プロトコルは、１時間に０．１００アンペアの定荷重を適用し、次に電池を２３時間の期間休止させることを含む。０．９ボルトのカットオフ電圧に到達するまで、このサイクルを繰り返す。次に、達成された実動時間を記録する。オーディオ試験は、低率放電試験である。

性能試験は、ＡＮＳＩ／ＩＥＣデジタルカメラ試験（デジカメ）と呼ばれ得る放電性能試験も含む。デジカメ試験プロトコルは、２秒間に１５００ｍＷ、その直後の２８秒間に６５０ｍＷの定荷重を含む、電池に３０秒間のパルスを適用することを含む。放電サイクルを５分間繰り返し、次に、電池は５５分間休止する。１．０５ボルトのカットオフ電圧に到達するまで、全サイクルを繰り返す。次に、達成されたパルスの全数を記録する。デジカメ試験は、高率放電試験である。

放電性能試験の前に、電池を温度調節条件にさらす。温度調節条件下では、電池は、１４日間に亘る温度変化にさらされる。電池は、２４時間の単一期間に亘る１サイクルと呼ばれ得る条件にさらされる。サイクルは、六時間半（６．５時間）に亘って約２８℃から約２５℃に下げられる温度に電池をさらすことからなる。次に、電池を、四時間半（４．５時間）に亘って約２５℃から約３４℃に上げられる温度にさらす。次に、電池を、二時間（２時間）に亘って約３４℃から約４３℃に上げられる温度にさらす。次に、電池を、一時間（１時間）に亘って約４３℃から約４８℃に上げられる温度にさらす。次に、電池を、一時間（１時間）に亘って約４８℃から約５５℃に上げられる温度にさらす。次に、電池を、一時間（１時間）に亘って約５５℃から約４８℃に下げられる温度にさらす。次に、電池を、一時間（１時間）に亘って約４８℃から約４３℃に下げられる温度にさらす。次に、電池を、三時間（３時間）に亘って約４３℃から約３２℃に下げられる温度にさらす。最後に、電池を、四時間（４時間）に亘って約３２℃から約２８℃に下げられる温度にさらす。１４日間に亘ってサイクルを繰り返し、次に、電池は、上記の放電性能試験を受ける。

性能試験の結果
電池Ａ、電池Ｂ、および対照は、全て、玩具、ＣＤプレーヤー、オーディオ、およびデジカメ性能試験を受ける。以下の表２は、性能試験の結果を要約している。表２の％差の列は、対照に対する電池Ａまたは電池Ｂの性能に関する差のパーセンテージを含む。

ＢＡ４カソード添加剤を含む電池Ａは、従来設計の電池である対照の性能と比較して、全ての放電試験でより優れた性能を与える。ＡＯ８カソード添加剤を含む電池Ｂは、従来設計の電池である対照の性能と比較して、全ての放電試験でより優れた性能を与える。特に、電池Ｂは、対照と比較した場合、デジカメ放電性能で１４％という顕著な増加を示す。

本明細書に開示される寸法および値は、記載されている正確な数値に厳しく限定されるものとして理解されるべきではない。むしろ、特に断りがない限り、このような寸法はそれぞれ、記載されている値と機能的に同等なその値の近辺の範囲との両方を意味することが意図されている。例えば、「４０ｍｍ」と開示されている寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することが意図されている。

本明細書に引用されている各文書は、相互参照または関連の特許または出願と、本明細書がその優先権または権利を主張する特許出願または特許とを含み、明示的に除外されていない限り、またはその反対に明示的に限定されていない限り、ここにその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。いかなる文書の引用も、前記文書が本明細書に開示または主張されている発明に関して先行技術であること、または前記文書が、単独で、または他の参考文献との組み合わせで、前記発明のいずれかを教示、示唆、または開示することを承認するものではない。さらに、本文書中の用語の意味または定義が、参照によって組み込まれる文書中の同一の用語のいずれかの意味または定義と矛盾する限りにおいて、本文書中の前記用語に割り当てられた前記意味または定義が優先するものとする。

本発明の特定の実施形態が図示され記載されているが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々なその他の変更および修正がなされ得ることが当業者には明らかであろう。従って、本発明の範囲内にあるこのような変更および修正の全てを、添付の特許請求の範囲において包含することが意図されている。

Claims

電気化学的に活性なカソード材料と、
第２のｐ元素原子と結合している少なくとも１つのｐ元素原子を含んでなる頭部基であって、前記少なくとも１つのｐ元素原子が電気陰性度を有し、前記第２のｐ元素原子が電気陰性度を有し、かつ、前記少なくとも１つのｐ元素原子の前記電気陰性度が、前記第２のｐ元素原子の前記電気陰性度とは異なる、前記頭部基、および
炭化水素尾部基、
を含んでなる少なくとも１種のカソード添加剤と、
を含んでなる、カソード（１２）。
前記少なくとも１つのｐ元素原子が、ホウ素、窒素、リン、硫黄、炭素、または酸素を含んでなる、請求項１に記載のカソード（１２）。
前記炭化水素尾部基が、炭素原子４個〜炭素原子１０個を含んでなる、請求項１または２に記載のカソード（１２）。
前記少なくとも１種のカソード添加剤が、ボロン酸、ブチルボロン酸、ペンチルボロン酸、ヘキシルボロン酸、イソブチルボロン酸、アミンオキシド、オクチルジメチルアミンオキシド、Ｎ，Ｎ−ジメチルノナン−１−アミンオキシド、ホスフィンオキシド、ヘキシルジメチルホスフィンオキシド、オクチルジメチルホスフィンオキシド、デシルジメチルホスフィンオキシド、スルホン酸、オクチルスルホン酸、デシルスルホン酸、スルタイン、アルキルヒドロキシプロピルスルタイン、カルボン酸、ヘキシルカルボン酸、オクチルカルボン酸、またはそれらの混合物を含んでなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のカソード（１２）。
前記少なくとも１種のカソード添加剤が、前記カソードの約０．１５重量パーセント未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のカソード（１２）。
前記少なくとも１種のカソード添加剤が、前記カソードの約０．０３重量パーセント〜前記カソードの約０．１２重量パーセントである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のカソード（１２）。
前記少なくとも１種のカソード添加剤が、前記カソードの約０．００４８重量パーセント〜前記カソードの約０．０６５重量パーセントである、請求項１〜６のいずれか一項に記載のカソード（１２）。
前記電気化学的に活性なカソード材料が、酸化マンガン、二酸化マンガン、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、化学二酸化マンガン（ＣＭＤ）、ハイパワー電解二酸化マンガン（ＨＰＥＭＤ）、ラムダ二酸化マンガン、ガンマ二酸化マンガン、ベータ二酸化マンガン、酸化銀、酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、酸化銅、酸化ビスマス、高原子価のニッケル化合物、またはそれらの混合物を含んでなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載のカソード（１２）。
膨張黒鉛、天然黒鉛、グラフェン、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、またはそれらの混合物を含んでなる少なくとも１種の炭素添加剤をさらに含んでなる、請求項１〜８のいずれか一項に記載のカソード（１２）。
請求項１〜９のいずれか一項に記載のカソード（１２）、アノード、前記カソードと前記アノードの間のセパレータ、および電解質を含んでなる、電池（１０）。