JPH11511893A - 電気化学電池添加物 - Google Patents

電気化学電池添加物

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JPH11511893A JP8536314A JP53631496A JPH11511893A JP H11511893 A JPH11511893 A JP H11511893A JP 8536314 A JP8536314 A JP 8536314A JP 53631496 A JP53631496 A JP 53631496A JP H11511893 A JPH11511893 A JP H11511893A
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Abstract

(57)【要約】 ポリオキシアルキレン窒素含有化合物はガス発生及び漏れを抑制するために酸性電解質を有する電気化学電池における使用に有用である。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学電池添加剤 本発明は、電池の保存及び誤用中に生じる望ましくない作用を解消又は減少で きる電気化学電池のための添加剤に関する。 それらに基づく原理を最初に発見した1866年にさかのぼる。電気化学電池の製造 及び設計は当時から長い道であったが、問題はまだ残っている。電池(バッテリ としても知られるが、その用語は技術的には電池の直列に関する)は基本的に陽 極、陰極及び電解質からなる。近年における種々のルクランシェ電池には、陽極 が亜鉛、陰極が二酸化マンガン、電解質が亜鉛塩化物およびアンモニウム塩化物 の比率を変えた水溶液のものがある。他の1次電池においては、電解質はカリウ ム又は水酸化ナトリウムの水溶液がしばしば用いられる。どの場合においても、 構成要素の危険な漏れを防止するために、また大気が構成要素に影響を及ぼさな いように、種々の成分を容器のカン内に封止する事は必要である。 電解質漏れ及びカン腐食問題(ルクランシェ電池内の亜鉛)は、カドミウム及び 水銀、特に、水銀の電池内容物への添加によって大きく克服された。 よって、水銀は誤用中のカン穿孔及び保存中の腐食及び穿孔を減少させる能力 を有していた、そして放電の補助の 点で有利であった。しかしながら、今では、水銀は環境汚染物の主なものである と見なされ、水銀無添加の電池が主に開発され、より低い程度で、カドミウム無 添加の電池も開発されている。 水銀無添加の電池の基本的問題は、水銀含有電池の有利を再生できる添加剤を 誰も発見していないことにある。実際、現在知られている添加剤のすべての最適 な選択でさえも水銀ほど良好ではない。 発見されている公知添加剤は、例えば、ヨーロッパ特許公開第EP-A-421660号 のアリールサルファ化合物(これは漏れ及び穿孔を防止するが、ガス発生(gassin g)を制御できない);アメリカ合衆国特許第US-A-4606984号のフルオロアルキルポ リオキシエチレンエーテル化合物(これはガス発生を制御できるが、腐食、漏れ 又は穿孔に効果がない);アメリカ合衆国特許第US-A-3847669号のアルキルポリオ キシエチレンエーテル及びイギリス国特許公開第GB-A-2170946号アルキルポリオ キシエチレンリン酸塩エーテル(これはガス発生を制御できるが、ほかはなにも ない);並びにアメリカ合衆国特許第US-A-3945849号のテトラアルキル及びアルキ ルアンモニウム化合物(これは腐食、漏れ及び穿孔を防止するが、ガス発生はで きず、電気性能は不良である)。 また、ある効果を有した列挙した公知添加剤は、性能を落とす望ましくない副 作用を有している。これを分析する 試験において、電池は長い期間高温度に保たれる(例えば、45℃で50%r.h.[相 対湿度]にて13週間)。そして性能保存は、20℃にて2週間保存された同様なバッ テリと比較して性能測定として計算され、その結果は理想的に80%過剰である。 実際、上記列挙した添加剤は75%だけの範囲において性能保存が、添加剤を含有 しない電池と比較して、一般的に得られ、かかる電池は典型的に82%範囲で性能 保存を有している。 必要な陽極、陰極及び電解質から離れて、実際の考慮は、セパレータが、望ま しく無い短絡を起こす陽極及び陰極間の短絡を防止するために陽極及び陰極間に 設けられることが望まれる。 一般的に、2つのタイプのセパレータの1つが採用され、ゲル/ペースト組成 物又は被覆紙のいずれかである。より大きい効率及び性能を発揮するためには、 被覆紙セパレータが電池内の少ない空間ですむので特に好ましい。 被覆紙セパレータは電解質の存在下でスターチで被覆され、イオン的に伝導性 であるが電気的には伝導性ではない。 我々は驚くべきことに、ポリオキシアルキレン窒素含有化合物が、水銀無添加 電池に関する多くの問題を緩和し克服するために電気化学電池中の添加剤として 使用できることを立証した。 そこで、第1の局面において、本発明は、電気化学電池、特に、酸性電解質を 有する電池に使用される添加剤であっ て、これがポリオキシアルキレン窒素含有化合物であることを特徴とする添加剤 を、提供する。 本発明の添加剤は、電気化学電池、特に、水銀無添加の電池におけるガス発生 及び漏れを抑制し、さらに電池の性能に悪い影響を最小にとどめることに有効で ある。 実際、ポリオキシアルキレン窒素含有化合物は、ガス発生、漏れ又は腐食の防 止に期待される他の単一の添加剤よりも優れた結果を達成することを、我々は発 見した。また、我々はその性能がしばしば強化されることも発見した。よって、 本発明の化合物は腐食、ガス発生及び漏れの減少に有効であり、その組み合わせ は、いかなる単一添加剤に対して観察されていないものである。 さらに、上述のごとく、アリールアルキルポリオキシエチレンエーテル及びト リメチルアルキルアンモニウムの両者は良好な耐ガス発生特性を有しているが、 これら2つの化合物の組み合わせは本発明の化合物と同一の効果を有していない 。その化合物の化合はアリールアルキルポリオキシエチレンエーテル単独よりも 多少良好である一方、本発明の化合物は、全体としてアリールアルキルポリオキ シエチレンエーテル添加剤で観察されたレベルの半分以上までガス発生を減少で きる。 本発明の窒素含有化合物は、1以上のポリオキシアルキレン基によって置換さ れるに適当な、いかなるタイプでもよい。アミン及びアンモニウム化合物が好ま しく、特に、 アミン化合物や、カルバモイル、ジアゾ及びaci-ニトロ化合物などの置換可能窒 素結合を有する他の化合物も適当である。 ポリオキシアルキレン置換基における個々のアルキレン部分は同一又は異なっ てもよいが、一般的にかかる化合物のために採用された製造方法によって同一に なる。有効なアルキレン基はエチレン及びプロピレン基に限定されるが、プロピ レン基はガス発生についてはエチレン基ほどではなく、ポリオキシエチレン窒素 含有化合物が好ましく、特に、ポリオキシエチレンアミンが好ましい。いかなる 所定のポリオキシアルキレン部分も、メチル、エチル及びプロピルなどの低いア ルキレン基の混合を含むことが可能であることが、評価されるであろう。この場 合、我々は平均アルキレン長が2つの炭素原子又は2つの炭素原子近傍となるよ うに選択する。 本発明の化合物は"工業界面活性剤電気ハンドブック(Industrial Surfactants Electronic Handbook)"(ゴウア(Gower)によって出版されマイケル及びイレー ヌ・アッシュ(Michael and IreneAsh)によって編集された)に典型的に掲載され ているように界面活性剤としてふつうに入手できる。 窒素原始に関して、これが少なくとも1つのポリオキシアルキレン基及び少な くとも1つのアルキル基によって置換されることがとくに好ましい。アルキル基 はハイドロオ キシ基及びハロゲン原子などの1以上の置換基によって置換され得るが、アルキ ル基が置換されないことが一般的に好ましい。アルキル基は直鎖であって、1〜 30の炭素原子であることもまた好ましい。 本発明の化合物は1以上のアミン中心を含むことができ、この場合、個々のア ミン基はアルキレン基によって、好ましくはトリメチレン基などの短鎖アルキレ ン基によって架橋されることが好ましい。 本発明においてポリオキシアルキレン基鎖長は特に重要ではないが、我々が選 択する鎖長は1〜50、好ましくは3と15の間の平均長、特に好ましくは平均 長10近傍で、平均長10はもっとも好ましい。さらに、ヤシ油アミンからの誘 導された化合物は好ましく、ヤシ油アルキル基は6〜18の炭素原子を含む。よ って、もっとも好適な本発明の化合物はモノ-及びジ-アミン類であり、ここでは 、自由アルキル基は6〜18の炭素原子を有し、側鎖はそれぞれ10オキシエチ レン単位の平均を有しているポリオキシエチレン置換基であり、化合物はジアミ ンであり、2つのアミン中心間の結合はトリメチレンである。10の平均長が好 ましいとしているが、これは所定サンプル内の分子の側鎖に対する全体の平均で あり、鎖長範囲は6〜18であるが、平均鎖長は10であることに注意すべきで ある。例えば、好ましい化合物、クロダメトC20(Crodamet C20)は2つのポリ オキシエチレン側鎖を有するアミンであり、 オキシエチレン単位の数はクロダメトC20のモル当たり20モルである。 好適な本発明の化合物のための適正な化学式を以下に示す。 式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル基を示し、R'は2〜10 の炭素原子を含むアルキル基を示し、mの各々は同一又は異なる1〜4までの整 数を示し、n、x、y、及びzは同一又は異なる1〜30までの整数を示す。より好 適なものは、以下の化学式を有する化合物である。本発明の化合物は化学式で示 され、本発明はこの化学式のいずれか又は双方に関することに注意すべきである 。 特に好適な化合物では、式中、Rは約10の炭素原子の平均を有し、R'は3又 は4の炭素原子を有し、mの各々は2であり、かつn、x、y、及びzの各々は平均 約10である。任意の置換基は上記のとおりだが、Rは置換されず置換基がない ことが好ましい。 本発明の添加剤は電気化学電池の製造中のいずれの段階においても添加できる 。本発明の電池への特に好適な添加方法はないが、添加剤が電解質に溶解できる ものであればよい。 電池への添加剤の添加方法の1つには添加剤の希釈水溶液をカンすなわち容器 内部に被覆する方法がある。そこで溶媒は乾燥され得、被覆カンを残して乾燥さ れる。実際、この方法は新しい添加剤の試験に適当であるが、カン表面において 添加剤を少なくとも最初に作用するようになすことが有益であるけれども一般的 な工業の実際に適当でない。 本発明の添加剤が典型的に用いられる電池は二酸化マンガン及びアセチレンブ ラックからなる陰極を有しており、二酸化マンガンは微細に分割された形態であ って、従来技術で知られているように電解質との混合の前にアセチレンブラック と混合される。本発明の添加剤は陰極の乾燥成分と混合でき、または電解質と一 緒に導入できる。混合物は陰極へ形成され、挿入中に陰極へ及ぼされる圧力が電 解質を陰極から多少逃してセパレータを充填し、電池内に導入される。この添加 剤添加方法は問題を生ぜしめないが、混合物全体に分散可能となるに十分な添加 剤が必要となるが、典型的に約0.01〜2%w/w(添加剤/混合物)の割合、好ま しくは約0.04〜1%、もっとも好ましくは約0.1%である。 セパレータ被覆中に添加剤を導入することが好ましい。これをなすためには、 一様でない分配に関して煩雑さを少なくするため、スターチ添加前に添加剤及び ゲラント(Gellant)を水に加えることが一般的に必要である。そこで被覆は公知 態様で紙に付加でき、結果のセパレータは電気化学電池中での使用の準備ができ る。電気化学電池へ加える本発明の添加剤の適当な量は当業者に明らかである。 しかしながら、セパレータへの適当な添加量は、例えば、乾燥被覆に関して、被 覆の重量は、0.1〜10%、さらに好ましくは0.5〜5%また、特に、約1 .5%である。本発明の添加剤の使用方法はより少ない添加剤を使うよう に、陰極混合物中へ添加されることが好ましいことが評価される。 架橋スターチ分子はガム(またはゲル化剤)のような被覆の必要部分である。有 利なことに、本発明の添加剤は被覆紙セパレータと結合して使用され、この被覆 は高架橋スターチからなり、ゲル化剤エステル化セルロース誘導体を有している 。 用語"高架橋"はスターチ工業界において公知であり、バッテリに関して、好適 なスターチはコーン、小麦及びポテトスターチである。高架橋コーンスターチの 適当な例は、バルカ90(Vulca 90)及びバルカ84(Vulca 84)(ナショナルの商 標)、セレックス(Celex)(日本スターチ精製会社(Nippon Starch Refining Compa ny Limited)の商標)及びラブ 2211(Lab 2211)などのロケッテ(Roquette)によ り製造されたスターチである。高架橋ポテトスターチの適当な例は、ベクタR1 40(Vector R140)及びベクタR120(Vector R120)(ロケッテの商標)を含む。 小麦スターチの適当な例はラブ 2214(Lab 2214)(ロケッテ)である。 我々は被覆に用いるスターチは上記したような高架橋スターチだけであること を申し出る。もしそうでないらら、できるだけ高い高架橋スターチの部分、好ま しくは実質的に被覆混合物の乾燥重量の50%を越えるもの、さらに好ましくは 80%を越えるもの、理想的には90%を越える ものに保つことことが望ましい。 我々はゲラントのようなエステル化セルロース誘導体を使用することを申し出 、適当な例は:チロースMH200K(Tylose MH200K)(ヘキスト(Hoechst)の商標 )、チロースMH50(Tylose MH50)、カルミナルMHPC100(Culminal MH PC100)(アクアロン(Aqualon)の商標)及びコートアウルダスDP1209(Court aulds DP1209)である。 エステル化セルロース誘導体は、適当なものならばどんなものでもよく、水の 存在の下で実質的にすぐに膨張してゲル化し安定化してとどまる化合物を意味し ている。 エステル化セルロースの適当な例は、メチルセルロース、エチルセルロース、 ハイドロオキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(ナトリウム塩 などの塩類を含む)、ハイドロオキシエチルセルロース、エチルハイドロオキシ エチルセルロース、メチルハイドロオキシエチルセルロース、2-ハイドロオキシ プロピルセルロース、メチルハイドロオキシプロピルセルロース及び2-ハイドロ オキシプロピルメチルセルロースを含む。 特に好適なエステル化セルロース誘導体の組み合わせはバルカ90とチロース MH200K、チロースMH50またはコートアウルダスDP1209からなる 。 使用される紙の性質は本発明では臨界的ではなく、セパレータとして従来から 用いるために知られているものであ ればよい。適当な単純紙はエンソ80(Enso 80)(エンソ(Enso)の商標)、アムト フォース57(Amtfors 57)及びシビレダレ64(Sibille Dalle 64)を含み、一方 安定な二重紙はPBDE100及びPBDE70(NKK)を含む。 本発明の化合物(ここでは"添加剤"ともいう)は酸性電解質を有する電気化学 電池においてもっとも有用であったことを発見したものである。本発明の添加剤 の使用、特に、アルカリ性電解質を有する電池における獣脂を基本としたような より長いアルキル鎖の使用は、電池使用において不適当なガス発生の増加を導く 。 本発明の化合物が用いられる典型的な電池は、ルクランシェとして知られる電 池及び亜鉛塩化物電池を含む1次及び2次亜鉛炭素電池を含む。かかる電池内の 電解質は典型的には以下のようなものである。ルクランシェ電解質−5〜20% 亜鉛塩化物、30〜40%アンモニウム塩化物、残部水;亜鉛塩化物電解質−1 5〜35%亜鉛塩化物、0〜10%アンモニウム塩化物、残部水。本発明に用い られる他の適当な電池は、バッテリ及び燃料電池のハンドブック(the Handbook of Batteries and Fuel Cells)(デビッド リンデン(David Linden)編集、マグ ロウヒル(McGraw Hill)出版)の第5章に記載されている。 本発明の添加剤が用いられる電池は丸、四角、平坦などどんな適当な形状でよ く、いかなる形状においても本発明 の添加剤をどのように導入するかは当業者に明らかである。よって、上記に加え て本発明はセパレータ及び/又は上記化合物からなる電池をも提供し、特に、本 発明の化合物を含む場合、酸性電解質を含む電池をも提供する。 本発明の添加剤を用いる分析試験電池のために、我々は2つの新しい試験を開 発した、それらを我々は高流出連続試験(HDCT)及び低流出連続試験(LDC T)という。高流出連続試験は、使用者によりバッテリが"あがった"後でさえも ある期間"オン"状態にある懐中電灯をそのままにしてある場合を想定した誤用条 件をシミレートするためのものである。低流出連続試験は、例えば時計内部のバ ッテリの状態をシミレートするためのものである。HDCT結果は漏れ量に換算 して測定され、LDCT結果はカンに穴があいたり割れたりすることによるバッ テリの破壊に換算して測定された。また、これら試験は新規であって、別の状況 でシミレートされた条件で得られるよりかなり短い時間で高い情報量の多い結果 が得られる。結果は、必要とする時間量が例えば、試験される電池の要因及び試 験電池に期待されるその程度の要因に依存することが考慮されるであろうけれど も、一般的にそれぞれ約4及び10週間で得られる。 これら新しい試験(詳細は以下に示される)は、我々に、電池構造の種々の構成 要素の効果を早くかつ容易に分析試験できるようにさせた。 よって、本発明は、電気化学電池のための低流出連続試験であって、カンが覆 いをかけられていないが封止されており、高抵抗が電池の極の間に取り付けられ 回路を完成させられ、かつ電池その状態のままで監視されることを特徴とする試 験方法をさらに提供する。 試験においては、試験中に電池が壊れたか否か確かめるために電池を監視する ことが理解されるであろう。D-サイズの亜鉛炭素電池の典型的寿命は抵抗が約30 0Ωの時、約10週間である。他の抵抗は300Ωが有効な結果を提供するけれども適 当に使用され得る。C-サイズ電池のための適当な抵抗は約500Ωであり、AA-サイ ズ電池では約810Ωである。底部カバー及びオーバーチューブを省略するのは周 囲環境にカンをさらして、起こり得るいかなる故障発生を高めためであり、これ が、なぜこの試験が例えば時計内に2年間あるとしても10週間も実行されるかの 理由の1つとなる。 本発明は、電池が好ましくは底部カバーに装着され、低抵抗が上部カバーと、 上部カバーの基部に近いカン壁のある点との間に接続され、その後、オーバーチ ューブをカン上にスライドさせて、できるだけ抵抗をはずすことなく、実質的に カンを覆い、得られた組立体の重さを量り、電池を周囲温度、好ましくは20℃に て保存し、必要なら保存中の電池の重さをある間隔で量り、そして保存中の減っ ている電解質の量を、漏れを画定するために重量を量ること によって、測定することを特徴とする電気化学電池のための高流出連続試験の方 法をさらに提供する。この最後の重量を量ることは、保存後の取り除いたオーバ ーチューブの重量を量るととによって、又は、抵抗はあるがオーバーチューブが ない電池重量を量るか、或いは両者がない電池重量を量ることによって、有効と なる。この試験中の底部カバーに付属物を取り付けることは、試験中のカン底部 の腐食を防止するのに特に有効である。 D-サイズ電池に対するこの試験の適当な抵抗は3.9Ωであり、約5ΩはAA-サ イズ電池のためであり、試験は典型的に4週間実行され、週間隔で試験されてる 。この試験において、電池不使用になるまでD電池の通常放電寿命は約6時間であ る。例えば、4週間の試験は、どの程度電池が誤用条件となるかを画定する。 本発明を、実施例に基づいて説明する。実施例において、特記しない限り、パ ーセントは重量百分率である。試験例は従来知られていないすなわち試験例に適 当なある試験プロトコルに従う。特記しない限り、本例に使用の亜鉛カンは典型 的に0.4%鉛及び0.03%マンガンを含み、壁厚0.46±0.03mmを有 している。陰極の混合物は典型的には52%二酸化マンガン、0.4%亜鉛酸化 物、6%アセチレンブラック及び41.6%亜鉛塩化物溶液(26.5%亜鉛塩化物 w/v) からなる。これら以外は、電池はヨーロッパ特許公開第EP-A-303737号に従って 一般的に作 製される。 例1 性能保存試験 性能保存(PR)試験は種々の添加剤を用いて実行された。 結果は以下のとおり。添加剤 PR(%) 無し 82% セトリミド(Cetrimide) 75% ナトリウムp−トルエンスルホン酸塩 (Sodium p-toluenesulphonate) 75% ホラファク1110D (Forafac 1110D) 75% クロダメトC20(Crodamet C20) 85% トリトン X45(Triton X45) 82% よって、本発明の化合物が使用された電池の性能保存性を実際に改善すること がわかる。 例2 添加剤の腐食、漏洩及び穿孔の防止性能 添加剤が、添加剤をカンに覆うことにより被覆された。これは添加剤の1〜10 %水溶液を作成することにより行われる。溶液があふれ出すまで、空の亜鉛カン に注がれて行われる。いくつかはカン内側に接して放置される。カンはカン内側 の添加剤層を残して水が蒸発するように保存される。このように電池に添加剤が 残るカンがHDCT/LD CT試験の試験のために作製される。使用されたセパレータは、高架橋スターチ +ゲル化剤(スターチ:ゲル比率=10.5:1、バルカ90+チロースMH200 K)からなる添加剤無しのセパレータである。 結果は以下の表1に示される。100%は電池の全故障を示す。印"*"は本発 明の化合物を示す。 上記から、HDCT及びLDCT試験において、本発明の化合物は公知の従来 の化合物よりもより良好であることがわかる。 例3 公知添加剤の単独又はその組み合わせは 本発明の化合物により示された範囲までのガス発生の減少 を示さない。 先の例の方法に従って、公知界面活性剤の単独又はその組み合わせがその有利 な特性のための試験された。その結果を表2に示す(最後の列だけが本発明の化 合物)。 DCT、LDCT及びガス発生の望ましい特性はポリオキシエチレンエーテル 及びトリメチルアルキルアンモニウムの単純混合物によって、まったく達成され ない。 例4 異なるセパレータ比較 セパレータは上記のようにされた。その種々の試験結果を以下の表3に示す。 セパレータ(Sep.1〜5で示す)は以下の如くである。Sep.1 安定クラス1高架橋コーンスターチ バルカ90 不安定クラス2コーンスターチ クリアゲル(Cleargel) 不安定クラス3可溶スターチ インスタントピュアフロ (Instant Pureflo) アリールスルホン酸塩 Na トルエンスルホン酸塩 (Arylsulphonate)Sep.2 安定クラス1高架橋ポテトスターチ ベクタR120 安定クラス3メチルセルロース チロースMH200K エーテルゲラント フルオロポリオキシエチレンエーテル ホラファク1110DSep.3 安定クラス1高架橋コーンスターチ セレックス 不安定クラス2コーンスターチ ロンガムCE3 (Rongum CE3) 不安定クラス3ガムゲラント キプロガム(Kiprogum) 添加剤無しSep.4 安定クラス1高架橋コーンスターチ バルカ90 安定クラス3メチルセルロース チロースMH200K エーテルゲラント トリメチルアルキルアンモニウム セトリミドSep.5 安定クラス1高架橋コーンスターチ バルカ90 安定クラス3メチルセルロース チロースMH200K エーテルゲラント ヤシ油ポリオキシエチレンアミン クロダメトC20 上記表において、セパレータ2はガス発生試験における標準(100%)として行 われ、セパレータ1は性能試験における標準(100%)として行われた。Sep.1 有利 中位HDCT、新鮮性能及びSCA 不利 不良ガス発生Sep.2 有利 存在するセパレータの最低ガス発生、良好新鮮性能及びSCA 不利 不良HDCT及びLDCTSep.3 有利 良好保存性能及びSCA 不利 不良HDCT及びLDCTSep.4 有利 良好HDCT及びLDCT、中位ガス発生 不利 不良新鮮性能及びSCA。非常に不良13w/45℃/50%r.h.性能Sep.5 有利 良好HDCT及びLDCT、どのセパレータも最低ガス発生。中位SCA及 び良好性能 不利 無し Sep.5だけ(本発明のセパレータだけ)がセパレータの所望要件のすべてを 達成していることが評価されるで あろう。 例5 添加剤組み合わせ比較試験及び被覆組成 LDCT及びHDCT試験において、種々の添加剤は、種々のスターチ及びゲ ラントで被覆された種々のセパレータの組み合わせで試験された。その結果を表 4に示す。 この結果から、高架橋スターチ及びメチルセルロースエーテルがこれら試験に おいて被覆として好ましく、本発明のポリオキシエチレンアミンが従来の化合物 より好ましいことが分かる。好ましくは本発明の獣脂化合物は、少なくとも10単 位長さ、好ましくは平均で少なくとも40単位長さであるポリオキシエチレン側鎖 を有している。 試験プロトコル セパレータ作成 セパレータ作成の第1ステップは、紙の被覆に使うペーストを作成することで ある。その本例の配合は以下のとおり。 水 64.3% 有機添加剤(例えばクロダメトC20) 0.5% ゲラント(例えばチロースMH200K) 3.1% スターチ(例えばバルカ90) 32.1% 3つの方法はペースト作成のために共通して採用された。 これらは以下のとおりであった。ペースト方法1 (例のセパレータに使用された) 1. 有機添加剤及びゲラントを水に添加し、シルバーセン(Silversen)型ミキサ ー(シルバーセン機械ミキサー乳化器モデルL2R、イギリス国(Silversen Mach ine Mixer Emulsifier Model L2R,UK))などの高剪断ミキサーを用いて混合する 。 2. 得られた混合物をホバート(Hobart)ミキサーなどのパドルミキサーに置き 、スターチを加え、平滑ペーストが得られるまで混合する。ペースト方法2 1. ゲラントを水に添加し、VMIミキサー(ライネリモデルR6001、フランス 国(Rayneri Model R6001, France))などのパドルミキサーにおいて混合する。 2. スターチを加え、混合を続ける。 3. 有機添加剤を加え、平滑ペーストが得られるまで混合する。ペースト方法3 1. 粉末と一緒に混合する。 2. 混合した乾燥粉末を水に添加し、パドルミキサー内で撹拌する。 3. 有機添加剤を加え、平滑ペーストが得られるまで混合を続ける。 これら方法の終了生成物は事実上同一であり、どの方法も適当である。 そしてセパレータペーストは紙の上に塗布される。上記実施例で用いられた技 術は、乾燥時の所望の被覆重量を得るために、被覆紙を、所定距離離れた2つの ローラーセットの間に走らせることである。そのローラーは、もっとも速く走る 前方ローラーでもってそれらが反対方向に走るように適当に設定される。適当な 被覆機械はディクソン(ディクソンパイロット被覆機械モデル160イギリス国 (Dixons Pilot Coating Machine Model 160,UK))の製品である。 乾燥被覆重量はgm-2(gsm)にて測定された。適当なgsmは40(D電 池に対して)、30(C電池に対して)及び20(AA電池に対して)である。 上記実施例では被覆紙は100〜140℃のオーブン乾燥及び/又は100〜 150℃の蒸気ドラム乾燥によって、乾燥される。HDCT(高流出連続試験) 1. 電池は上記のように作製される。底部カバーはオーバーチューブ無しで付 加される。 2. 3.9Ω抵抗はカバーとカバー近傍のカン上部との間にハンダで付けられ る。電池はその重量を測定される(W1)。 3. オーバーチューブはその重量を測定される(w2)。 4. オーバーチューブは回転させることなく電池上に押される。電池はその重 量を測定される(w3)。 5. HDCT電池は20℃にて4wのために保存される。 3. 9Ω試験のDのための通常放電寿命はほぼ6時間である。4wは消費者の スイッチオン状態での放置のシミレートの誤用試験を示す。 6. 週間隔において、元の電池(1w、2w、3w及び4w)の1/4は取り 除かれ、測定される。完全放電された電池はその重量を測定される(w4)。 7. オーバーチューブは取り除かれ、その重量測定がなされる(w5)。 8. 抵抗をハンダ付けされた得られた電池のもののままのものはその重量測定 がなされる(w6)。 9. HDCT漏れはw6〜w1である。LDCT(低流出連続試験) 1. 電池は上記のように作製される。LDCTのために底部カバー及びオーバ ーチューブは付加されない。 2. 300Ω抵抗はカバーとカバー近傍のカン上部との間にハンダで付けられ る。 3. 電池は10wまで週間隔で監視される。これは300Ω試験のD電池の通 常寿命であろう。この試験は時計のような長期間使用される試験に用いられる電 池のシミレーションである。 4. 故障はカン穿孔又は割れが観察されたときである。これは、O2が電池内 への長期間試験のとき穿孔故障を起こすことである。SCA試験 電池は短絡され、通過電流はゼロ(非常に低い)インピーダンスメータにて測定 される。測定結果は電池のSCA(短絡電流)である。IEC放電性能試験 これらは新鮮電池(20℃にて1〜2週間)及び古い電池(約45℃、50% r.h.にて13週間)について測定された工業規格試験である。ガス発生試験 電池は封止材又は栓にて止められていないで、電池内で発生したガスが逃げる ことができるようにしてある。電池はストッパ及びガラス管でガラス容器内に封 止される。容 器は所望温度の水浴に浸される。ガラス管の開放端部は水浴に置かれ、水浴に水 充填目盛ガス管はガラス管からのガスを収集するために配置される。発生したガ ス量は30日間にわたって測定される。腐食試験 容器は0.01%電位抑制剤を含む25%亜鉛塩化物溶液で満たされた。バッ テリの亜鉛合金の帯状片はその溶液に浸され、容器は空気除外のために閉ざされ る。その試験試料は45℃に保存される。 帯状片の目視実験は3週間隔行われ、帯状片は4基準によって分析される。 1. 全体的腐食; 2. 小さい孔(<0.1mm); 3. 大きい孔(>0.1mm); 4. 不均一腐食。 各基準は1(低)から5(高)までのスケールにおいて測定される。得点は合 計され、全得点は腐食指標(CI)となる。コントロールは電位抑制剤を用いず に実行された。
【手続補正書】特許法第184条の4第4項 【提出日】1996年11月29日 【補正内容】 請求の範囲(翻訳文) 1. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する電気化学電池に使用される添加 剤であって、添加剤がポリオキシアルキレン窒素含有化合物であることを特徴と する添加剤。 2. アミンであることを特徴とする請求項1記載の添加剤。 3. アンモニウム化合物であることを特徴とする請求項1記載の添加剤。 4. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分は同一であること を特徴とする請求項1〜3のいずれか1記載の添加剤。 5. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分はエチレン及びプ ロピレン基から選択されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1記載の添 加剤。 6. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分はエチレン基であ ることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1記載の添加剤。 7. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物の窒素部分は少なくとも1つのポリ オキシアルキレン基及び少なくとも1つの任意置換アルキル基によって置換され たことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1記載の添加剤。 8. アルキル基は1以上のハイドロオキシ基及び/又はハロゲン原子によって 置換されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1記載の添加剤。 9. アルキル基は置換されないことを特徴とする請求項7記載の添加剤。 10. アルキル基は直鎖であることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1記 載の添加剤。 11. アルキル基は1〜30の炭素原子を含むことを特徴とする請求項7〜1 0のいずれか1記載の添加剤。 12. 複数のアミン基を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1記 載の添加剤。 13. アミン基はアルキレン基によって互いに結びついていることを特徴とす る請求項12記載の添加剤。 14. アルキレン基は短鎖アルキレン基であることを特徴とする請求項13記 載の添加剤。 15. アルキレン基はトリメチレン基であることを特徴とする請求項13記載 の添加剤。 16. 2つのアミン基を有し、前記アミン基が請求項14および15のいずれ か一方にて画定されたアルキレン基の1つによって結び付いていることを特徴と する請求項13記載の添加剤。 17. 2つのアミン基を有し、前記アミン基がアルキレン基の1つによって結 び付けられ、第1のアミン基は1つのポリオキシアルキレン置換基及び1〜30 の炭素原子を有する1つの直鎖アルキル置換基を有し、第2のアミン基は2つの ポリオキシアルキレン置換基を有することを特徴とする請求項1〜16のいずれ か1記載の添加剤。 18. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で1〜50の鎖長を有するこ とを特徴とする請求項1〜17のいずれか1記載の添加剤。 19. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で3〜15の鎖長を有するこ とを特徴とする請求項18記載の添加剤。 20. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で10の鎖長を有することを 特徴とする請求項18記載の添加剤。 21. ヤシ油アミンから誘導されたことを特徴とする請求項1〜20のいずれ か1記載の添加剤。 22. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する電気化学電池に使用される添 加剤であって、添加剤が以下の2つの一般式、 [式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル 基を示し、R'は2〜10の炭素原子を含むアルキル基を示し、mの各々は同一又 は異なる1〜4までの整数を示し、n、x、y、及びzは同一又は異なる1〜30ま での整数を示す]の1つを有することを特徴とする添加剤。 23. Rは約10の炭素原子の平均を有することを特徴とする請求項22記載 の添加剤。 24. R'は3又は4の炭素原子を有することを特徴とする請求項22又は23 記載の添加剤。 25. mの各々は2であることを特徴とする請求項22〜24のいずれか1記 載の添加剤。 26. n、x、y、及びzの各々は平均約10であることを特徴とする請求項22 〜25のいずれか1記載の添加剤。 27. Rは置換されないことを特徴とする請求項22〜26のいずれか1記載 の添加剤。 28. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する電気化学電池に使用される添 加剤であって、添加剤が以下の2つの一般式、 [式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル基を示し、R'は2〜10 の炭素原子を含むアルキル基を示し、n、x、y、及びzは同一又は異なる1〜30 までの整数を示す]の1つを有することを特徴とする添加剤。 29. Rは約10の炭素原子の平均を有することを特徴とする請求項28記載 の添加剤。 30. R'は3又は4の炭素原子を有することを特徴とする請求項28又は29 記載の添加剤。 31. mの各々は2であることを特徴とする請求項28〜30のいずれか1記 載の添加剤。 32. n、x、y、及びzの各々は平均約10であることを特徴とする請求項28 〜31のいずれか1記載の添加剤。 33. Rは置換されないことを特徴とする請求項28〜32のいずれか1記載 の添加剤。 34. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する水銀無添加の電気化学電池で あって、前記電池が請求項1〜33のいずれか1記載の添加剤を含むことを特徴 とする。 【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1997年4月17日 【補正内容】 試験において、電池は長い期間高温度に保たれる(例えば、45℃で50%r.h.[相 対湿度]にて13週間)。そして性能保存は、20℃にて2週間保存された同様なバッ テリと比較して性能測定として計算され、その結果は理想的に80%過剰である。 実際、上記列挙した添加剤は75%だけの範囲において性能保存が、添加剤を含有 しない電池と比較して、一般的に得られ、かかる電池は典型的に82%範囲で性能 保存を有している。 必要な陽極、陰極及び電解質から離れて、実際の考慮は、セパレータが、望ま しく無い短絡を起こす陽極及び陰極間の短絡を防止するために陽極及び陰極間に 設けられることが望まれる。 一般的に、2つのタイプのセパレータの1つが採用され、ゲル/ペースト組成 物又は被覆紙のいずれかである。より大きい効率及び性能を発揮するためには、 被覆紙セパレータが電池内の少ない空間ですむので特に好ましい。 被覆紙セパレータは電解質の存在下でスターチで被覆され、イオン的に伝導性 であるが電気的には伝導性ではない。 我々は驚くべきことに、ポリオキシアルキレン窒素含有化合物が、水銀無添加 電池に関する多くの問題を緩和し克服するために電気化学電池中の添加剤として 使用できることを立証した。 そこで、第1の局面において、本発明は、酸性電解質を有する電気化学電池に 使用される添加剤であっ よって、本発明は、電気化学電池のための低流出連続試験であって、カンが覆 いをかけられていないが封止されており、高抵抗が電池の極の間に取り付けられ 回路を完成させられ、かつ電池その状態のままで監視されることを特徴とする試 験方法をさらに提供する。 試験においては、試験中に電池が壊れたか否か確かめるために電池を監視する ことが理解されるであろう。D-サイズの亜鉛炭素電池の典型的寿命は抵抗が約30 0Ωの時、約10週間である。他の抵抗は300Ωが有効な結果を提供するけれども適 当に使用され得る。C-サイズ電池のための適当な抵抗は約500Ωであり、AA-サイ ズ電池では約810Ωである。底部カバー及びオーバーチューブの省略するのは周 囲環境にカンをさらして、起こり得るいかなる故障発生を高めためであり、これ が、なぜこの試験が例えば時計内に2年間あるとしても10週間も実行されるかの 理由の1つとなる。 電気化学電池のための高流出連続試験の方法は、電池が好ましくは底部カバー に装着され、低抵抗が上部カバーと、上部カバーの基部に近いカン壁のある点と の間に接続され、その後、オーバーチューブをカン上にスライドさせて、できる だけ抵抗をはずすことなく、実質的にカンを覆い、得られた組立体の重さを量り 、電池を周囲温度、好ましくは20℃にて保存し、必要なら保存中の電池の重さを ある間隔で量り、そして保存中の減っている電解質の量を、漏れを 画定するために重量を量ることによって、測定することを含む。この最後の重量 を量ることは、保存後の取り除いたオーバーチューブの重量を量るととによって 、又は、抵抗はあるがオーバーチューブがない電池重量を量るか、或いは両者が ない電池重量を量ることによって、有効となる。この試験中の底部カバーに付属 物を取り付けることは、試験中のカン底部の腐食を防止するのに特に有効である 。 D-サイズ電池に対するこの試験の適当な抵抗は3.9Ωであり、約5ΩはAA-サ イズ電池のためであり、試験は典型的に4週間実行され、週間隔で試験されてる 。この試験において、電池不使用になるまでD電池の通常放電寿命は約6時間であ る。例えば、4週間の試験は、どの程度電池が誤用条件となるかを画定する。 本発明を、実施例に基づいて説明する。実施例において、特記しない限り、パ ーセントは重量百分率である。試験例は従来知られていないすなわち試験例に適 当なある試験プロトコルに従う。特記しない限り、本例に使用の亜鉛カンは典型 的に0.4%鉛及び0.03%マンガンを含み、壁厚0.46±0.03mmを有 している。陰極の混合物は典型的には52%二酸化マンガン、0.4%亜鉛酸化 物、6%アセチレンブラック及び41.6%亜鉛塩化物溶液(26. 5%亜鉛塩化物 w/v )からなる。これら以外は、電池はE P−A−303737に従って一般的に作 請求の範囲(翻訳文) 1. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する電気化学電池であって、前記電 池はポリオキシアルキレン窒素含有化合物である添加剤を含むことを特徴とする 電気化学電池。 2. アミンであることを特徴とする請求項1記載の添加剤。 3. アンモニウム化合物であることを特徴とする請求項1記載の添加剤。 4. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分は同一であること を特徴とする請求項1〜3のいずれか1記載の添加剤。 5. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分はエチレン及びプ ロピレン基から選択されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1記載の添 加剤。 6. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分はエチレン基であ ることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1記載の添加剤。 7. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物の窒素部分は少なくとも1つのポリ オキシアルキレン基及び少なくとも1つの任意置換アルキル基によって置換され たことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1記載の添加剤。 8. アルキル基は1以上のハイドロオキシ基及び/又はハロゲン原子によって 置換されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1記載の添加剤。 9. アルキル基は置換されないことを特徴とする請求項7記載の添加剤。 10. アルキル基は直鎖であることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1記 載の添加剤。 11. アルキル基は1〜30の炭素原子を含むことを特徴とする請求項7〜1 0のいずれか1記載の添加剤。 12. 複数のアミン基を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1記 載の添加剤。 13. アミン基はアルキレン基によって互いに結びついていることを特徴とす る請求項12記載の添加剤。 14. アルキレン基は短鎖アルキレン基であることを特徴とする請求項13記 載の添加剤。 15. アルキレン基はトリメチレン基であることを特徴とする請求項13記載 の添加剤。 16. 2つのアミン基を有し、前記アミン基が請求項14および15のいずれ か一方にて画定されたアルキレン基の1つによって結び付いていることを特徴と する請求項13記載の添加剤。 17. 2つのアミン基を有し、前記アミン基がアルキレン基の1つによって結 び付けられ、第1のアミン基は1つのポリオキシアルキレン置換基及び1〜30 の炭素原子を有する1つの直鎖アルキル置換基を有し、第2のアミン基は2つの ポリオキシアルキレン置換基を有することを特徴とする請求項1〜16のいずれ か1記載の添加剤。 18. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で1〜50の鎖長を有するこ とを特徴とする請求項1〜17のいずれか1記載の添加剤。 19. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で3〜15の鎖長を有するこ とを特徴とする請求項18記載の添加剤。 20. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で10の鎖長を有することを 特徴とする請求項18記載の添加剤。 21. ヤシ油アミンから誘導されたことを特徴とする請求項1〜20のいずれ か1記載の添加剤。 22. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する電気化学電池であって、前記 電池は以下の2つの一般式、 [式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル基を示し、R'は2〜10 の炭素原子を含むアルキル基を 示し、mの各々は同一又は異なる1〜4までの整数を示し、n、x、y、及びzは同 一又は異なる1〜30までの整数を示す]の1つを有する添加剤を含むことを特 徴とする電気化学電池。 23. Rは約10の炭素原子の平均を有することを特徴とする請求項22記載 の添加剤。 24. R'は3又は4の炭素原子を有することを特徴とする請求項22又は23 記載の添加剤。 25. mの各々は2であることを特徴とする請求項22〜24のいずれか1記 載の添加剤。 26. n、x、y、及びzの各々は平均約10であることを特徴とする請求項22 〜25のいずれか1記載の添加剤。 27. Rは置換されないことを特徴とする請求項22〜26のいずれか1記載 の添加剤。 28. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する電気化学電池であって、前記 電池は以下の2つの一般式、 [式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル基を示し、R'は2〜10 の炭素原子を含むアルキル基を示し、n、x、y、及びzは同一又は異なる1〜30 までの整数を示す]の1つを有する添加剤を含むことを特徴とする電気化学電池 。 29. Rは約10の炭素原子の平均を有することを特徴とする請求項28記載 の添加剤。 30. R'は3又は4の炭素原子を有することを特徴とする請求項28又は29 記載の添加剤。 31. mの各々は2であることを特徴とする請求項28〜30のいずれか1記 載の添加剤。 32. n、x、y、及びzの各々は平均約10であることを特徴とする請求項28 〜31のいずれか1記載の添加剤。 33. Rは置換されないことを特徴とする請求項28〜32のいずれか1記載 の添加剤。 34. 酸性電解質及び被覆紙セパレータを有する水銀無添加の電気化学電池で あって、前記電池が請求項1〜33のいずれか1記載の添加剤を含むことを特徴 とする電気化学電池。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 酸性電解質を有する電気化学電池に使用される添加剤であって、添加剤が ポリオキシアルキレン窒素含有化合物であることを特徴とする添加剤。 2. アミンであることを特徴とする請求項1記載の添加剤。 3. アンモニウム化合物であることを特徴とする請求項1記載の添加剤。 4. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分は同一であること を特徴とする請求項1〜3のいずれか1記載の添加剤。 5. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分はエチレン及びプ ロピレン基から選択されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1記載の添 加剤。 6. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物のアルキレン部分はエチレン基であ ることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1記載の添加剤。 7. ポリオキシアルキレン窒素含有化合物の窒素部分は少なくとも1つのポリ オキシアルキレン基及び少なくとも1つの任意置換アルキル基によって置換され たことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1記載の添加剤。 8. アルキル基は1以上のハイドロオキシ基及び/又はハロゲン原子によって 置換されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1記載の添加剤。 9. アルキル基は置換されないことを特徴とする請求項7記載の添加剤。 10. アルキル基は直鎖であることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1記 載の添加剤。 11. アルキル基は1〜30の炭素原子を含むことを特徴とする請求項7〜1 0のいずれか1記載の添加剤。 12. 複数のアミン基を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1記 載の添加剤。 13. アミン基はアルキレン基によって互いに結びついていることを特徴とす る請求項12記載の添加剤。 14. アルキレン基は短鎖アルキレン基であることを特徴とする請求項13記 載の添加剤。 15. アルキレン基はトリメチレン基であることを特徴とする請求項13記載 の添加剤。 16. 2つのアミン基を有し、前記アミン基が請求項14および15のいずれ か一方にて画定されたアルキレン基の1つによって結び付いていることを特徴と する請求項13記載の添加剤。 17. 2つのアミン基を有し、前記アミン基がアルキレン基の1つによって結 び付けられ、第1のアミン基は1つのポリオキシアルキレン置換基及び1〜30 の炭素原子を有する1つの直鎖アルキル置換基を有し、第2のアミン基は2つの ポリオキシアルキレン置換基を有することを特徴とする請求項1〜16のいずれ か1記載の添加剤。 18. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で1〜50の鎖長を有するこ とを特徴とする請求項1〜17のいずれか1記載の添加剤。 19. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で3〜15の鎖長を有するこ とを特徴とする請求項18記載の添加剤。 20. 添加剤のポリオキシアルキレン部分は平均で10の鎖長を有することを 特徴とする請求項18記載の添加剤。 21. ヤシ油アミンから誘導されたことを特徴とする請求項1〜20のいずれ か1記載の添加剤。 22. 酸性電解質を有する電気化学電池に使用される添加剤であって、添加剤 が以下の2つの一般式、 [式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル基を示し、R'は2〜10 の炭素原子を含むアルキル基を 示し、mの各々は同一又は異なる1〜4までの整数を示し、n、x、y、及びzは同 一又は異なる1〜30までの整数を示す]の1つを有することを特徴とする添加 剤。 23. Rは約10の炭素原子の平均を有することを特徴とする請求項22記載 の添加剤。 24. R'は3又は4の炭素原子を有することを特徴とする請求項22又は23 記載の添加剤。 25. mの各々は2であることを特徴とする請求項22〜24のいずれか1記 載の添加剤。 26. n、x、y、及びzの各々は平均約10であることを特徴とする請求項22 〜25のいずれか1記載の添加剤。 27. Rは置換されないことを特徴とする請求項22〜26のいずれか1記載 の添加剤。 28. 酸性電解質を有する電気化学電池に使用される添加剤であって、添加剤 が以下の2つの一般式、 [式中、Rは1〜30の炭素原子を含む任意置換アルキル基を示し、R'は2〜10 の炭素原子を含むアルキル基を示し、n、x、y、及びzは同一又は異なる1〜30 までの整数を示す]の1つを有することを特徴とする添加剤。 29. Rは約10の炭素原子の平均を有することを特徴とすることを特徴とす る請求項28記載の添加剤。 30. R'は3又は4の炭素原子を有することを特徴とする請求項28又は29 記載の添加剤ことを特徴とする請求項記載の添加剤。 31. mの各々は2であることを特徴とする請求項28〜30のいずれか1記 載の添加剤。 32. n、x、y、及びzの各々は平均約10であることを特徴とする請求項28 〜31のいずれか1記載の添加剤。 33. Rは置換されないことを特徴とする請求項28〜32のいずれか1記載 の添加剤。 34. 酸性電解質を有する水銀無添加の電気化学電池であって、前記電池が請 求項1〜33のいずれか1記載の添加剤を含むことを特徴とする。
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