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特許7101725ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む電池
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-07
(45)【発行日】2022-07-15
(54)【発明の名称】ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/52 20100101AFI20220708BHJP
H01M 6/06 20060101ALI20220708BHJP
H01M 4/42 20060101ALI20220708BHJP
H01M 50/284 20210101ALI20220708BHJP
H01M 50/256 20210101ALI20220708BHJP
【ＦＩ】
H01M4/52
H01M6/06 C
H01M4/42
H01M6/06 B
H01M50/284
H01M50/256 201
【請求項の数】
24
(21)【出願番号】P 2020115488
(22)【出願日】2020-07-03
(62)【分割の表示】P 2017550764の分割
【原出願日】2016-03-28
(65)【公開番号】P2020174050
(43)【公開日】2020-10-22
【審査請求日】2020-07-29
(31)【優先権主張番号】14/672,303
(32)【優先日】2015-03-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】315014051
【氏名又は名称】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
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100105153
【弁理士】
【氏名又は名称】朝倉 悟
(74)【代理人】
【識別番号】100096921
【弁理士】
【氏名又は名称】吉元 弘
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド、ロイド、アングリン
(72)【発明者】
【氏名】ジェニファー、アン、ネルソン
(72)【発明者】
【氏名】ポール、アルバート、クリスティアン
【審査官】結城 佐織
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－３３２２５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１５１５４９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ４／５２
Ｈ０１Ｍ ６／０６
Ｈ０１Ｍ ４／４２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池であって、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含む電気化学的に活性なカソード材料を含むカソードと、
前記電池内の総電解質の重量ベースで２０％から４０％の間の量で存在する水酸化物を含む電解質と、
化学式を有する前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルと、
を備え、前記化学式は、ＬｉｘＡｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏを有し、
ｘが０．０２から０．２０、
ｙが０．０３から０．２０、
ａが０から０．２、
ｚが０から０．２、
ｎが０から１であり、
Ａが、カリウム、ルビジウム、セシウム、およびそれらの任意の組合せを含むアルカリ金属を含み、
Ｍが、アルカリ土類金属、遷移金属、非遷移金属、およびそれらの任意の組合せを含む、一次アルカリ電池。
【請求項2】
ｙが０．０８から０．１３である、請求項１に記載の電池。
【請求項3】
Ａは、カリウムを備える、請求項１又は２に記載の電池。
【請求項4】
ａは、０．０９から０．１０である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電池。
【請求項5】
前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、３５０ｍＡｈ／ｇよりも大きい重量当り容量を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電池。
【請求項6】
前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、３５０ｍＡｈ／ｇから４００ｍＡｈ／ｇの重量当り容量を有する、請求項５に記載の電池。
【請求項7】
ｘが０．０３から０．１２である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電池。
【請求項8】
前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、水和水と、０＜ｎ≦１を含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電池。
【請求項9】
前記電池は、１．７ボルトから１．８ボルトの開路電圧を有する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電池。
【請求項10】
前記電池は、亜鉛、亜鉛合金、およびそれらの任意の組合せを含む電気化学的に活性なアノード材料を含むアノードと、
前記カソードと前記アノードの間のセパレータと、
をさらに備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電池。
【請求項11】
前記カソードは、さらに導電性添加材を備える、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電池。
【請求項12】
前記電池は、外面を備える筐体と、電圧テスターを備えるラベルとをさらに備え、
前記ラベルは、前記筐体の前記外面に貼り付けられている、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電池。
【請求項13】
電池であって、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含む電気化学的に活性なカソード材料を含むカソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードの間のセパレータと、
水酸化物を含む電解質と、
化学式を有する前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルと、
を備え、前記化学式は、ＬｉｘＡｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏを有し、
ｘが０．０２から０．２０、
ｙが０．０３から０．２０、
ａが０から０．２、
ｚが０から０．２、
ｎが０から１であり、
Ａが、カリウム、ルビジウム、セシウム、およびそれらの任意の組合せを含むアルカリ金属を含み、
Ｍが、アルカリ土類金属、遷移金属、非遷移金属、およびそれらの任意の組合せを含む、一次アルカリ電池。
【請求項14】
前記電池は、酸化マンガン、二酸化マンガン、電解二酸化マンガン、化学二酸化マンガン、高電力電解二酸化マンガン、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、ヨウ素酸銅、酸化ビスマス、およびそれらの任意の組合せからなる群から選択された、追加の電気化学的に活性なカソード材料をさらに備える、請求項１３に記載の電池。
【請求項15】
ｙが０．０８から０．１３である、請求項１３又は１４に記載の電池。
【請求項16】
Ａは、カリウムを備える、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の電池。
【請求項17】
ａは、０．０９から０．１０である、請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の電池。
【請求項18】
前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、３５０ｍＡｈ／ｇよりも大きい重量当り容量を有する、請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載の電池。
【請求項19】
前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、３５０ｍＡｈ／ｇから４００ｍＡｈ／ｇの重量当り容量を有する、請求項１８に記載の電池。
【請求項20】
ｘが０．０３から０．１２である、請求項１３至１９のいずれか一項に記載の電池。
【請求項21】
前記ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、ｎが０より大きいような水を含む、請求項１３乃至２０のいずれか一項に記載の電池。
【請求項22】
前記電池は、１．７ボルトから１．８ボルトの開路電圧を有する、請求項１３乃至２１のいずれか一項に記載の電池。
【請求項23】
前記アノードは、亜鉛、亜鉛合金、又はそれらの任意の組合せを含む電気化学的に活性なアノード材料を含む、請求項１３乃至２２のいずれか一項に記載の電池。
【請求項24】
前記電池は、外面を備える筐体と、電圧テスターを備えるラベルとをさらに備え、
前記ラベルは、前記筐体の前記外面に貼り付けられている、請求項１３乃至２３のいずれか一項に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電池に関し、より具体的には、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル（ｂｅｔａ－ｄｅｌｉｔｈｉａｔｅｄ ｌａｙｅｒｅｄ ｎｉｃｋｅｌ ｏｘｉｄｅ）である電気化学的に活性なカソード材料を含む電池に関する。
【背景技術】
【0002】
電気化学セルすなわち電池は、電気エネルギー源として一般に使用されている。電池は、一般的にアノードと呼ばれる負極と、一般的にカソードと呼ばれる正極とを含む。アノードは、酸化しうる電気化学的に活性なアノード材料を含む。カソードは、還元しうる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アノード材料は、電気化学的に活性なカソード材料を還元する能力がある。アノードとカソードの間には、セパレータが配置される。電池部品は、一般的に金属から作られたカン内すなわち筐体内に配置される。
【0003】
電子デバイス内の電気エネルギー源として電池を使用するとき、アノードおよびカソードに対する電気接点が作られ、デバイスを通じて電子を流すことが可能となり、それぞれの酸化反応および還元反応を引き起こして、電子デバイスに電力を提供することができる。電解質が、アノード、カソード、およびセパレータと接触している。電解質は、放電中に電池全体の荷電平衡を維持するように、セパレータを通ってアノードとカソードの間を流れるイオンを含む。
【0004】
玩具、リモートコントローラ、オーディオデバイス、フラッシュ装置、デジタルカメラおよび写真撮影用の周辺装置、電子ゲーム装置、歯ブラシ、ラジオおよび時計などの現代の電子デバイスに電力供給するのにより適した電池を作る必要性が高まっている。この必要性を満たすために、電池は、容量および耐用年数を増加させるように、電気化学的に活性なアノードおよび／またはカソード材料のより多くのローディングを含むことができる。しかし、電池は、外形寸法が固定され、内部容積が制限された、ＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、およびＤ電池サイズなどの共通のサイズで提供される。よって、電池のより良好な性能を達成するためだけに、電気化学的に活性な材料のローディングを増やす能力は、制限される。
【0005】
電池の電気化学的に活性なカソード材料は、性能を向上させるために調節できる別の設計特徴である。例えば、体積当りおよび重量当り容量がより高い電気化学的に活性な材料は、より良好な性能の電池をもたらすことができる。同様に、より高い酸化状態の電気化学的に活性な材料も、より良好な性能の電池をもたらすことができる。しかし、選択された電気化学的に活性な材料は、電池が電力供給しうるデバイスにとって許容可能な範囲の、閉路電圧、すなわち電流を流した状態での電圧（ｒｕｎｎｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ）を提供しなければならない。デバイスは、電池のＯＣＶ、すなわち電流を流した状態での電圧が高すぎる場合には、損傷する場合がある。反対に、デバイスは、電池の電流を流した状態での電圧が低すぎる場合には、全く機能しない場合がある。加えて、例えば高酸化状態の遷移酸化金属などの電気化学的に活性な材料は、反応性が非常に高い。そのような反応性が高い電気化学的に活性な材料の性質によって、電気化学的に活性な材料が電池内に組み入れられ、電解質と接触状態にされると、ガスの発生を招く場合がある。発生したあらゆるガスは、カソード内の連続性など、電池内の構造的問題、および／または電池からの電解質の漏洩を招く場合がある。高酸化状態の遷移酸化金属は、例えば、黒鉛などの炭素添加材、例えば、界面活性剤（１つまたは複数）などの他の添加材、および／またはセパレータなどの他の電池部品と有害に反応する場合がある。高酸化状態の遷移酸化金属は、電解質を消費する傾向もあり、このことは、カソード膨張など、電池内の他の構造的問題、および電池内の好ましくない水バランスを招く場合がある。また、高酸化状態の遷移酸化金属を電気化学的に活性なカソード材料として含む電池は、例えば、電池が一定期間保管されるときに、不安定性および高率自己放電を示す場合がある。加えて、電池の電気化学的に活性な材料の含有量に対する含水量と水酸化カリウム含有量の両方の比率は、電気化学的に活性な材料の適正な利用のために適当にバランスさせる必要がある。さらに、電気化学的に活性な材料の含有量に対する含水量と水酸化カリウムの含有量の両方の比率を好適に選択することによって、複数の放電率状態にわたり電池性能を向上させることができる。
【0006】
上で議論した必要性に対処する、電気化学的に活性なカソード材料を含む電池を提供する必要が存在する。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む本発明の電池は、特に、これらの必要性に対処するものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0007】
一実施形態では、本発明は、電池に関する。電池は、カソード、アノード、カソードとアノードの間のセパレータ、および電解質を含む。カソードは、導電性添加材および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ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは化学式を有する。化学式は、ＬｉｘＡｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏであり、ここで、ｘが約０．０２から約０．２０、ｙが約０．０３から約０．２０、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１である。化学式中、Ａはアルカリ金属である。アルカリ金属は、カリウム、ルビジウム、セシウム、およびそれらの任意の組合せを含む。化学式中、Ｍは、アルカリ土類金属、遷移金属、非遷移金属、およびそれらの任意の組合せを含む。アノードは電気化学的に活性なアノード材料を含む。電気化学的に活性なアノード材料は、亜鉛、亜鉛合金、およびそれらの任意の組合せを含む。
【0008】
本明細書は、本発明を構成するとみなされる主題を具体的に指摘し明確に特許請求する請求項により締めくくられるが、本発明は、添付図面と併せて、以下の説明から一層理解されると思われる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む一次アルカリ電池のある実施形態の断面図である。
【図2】ベータ脱リチウム層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料のある実施形態の粉末Ｘ線回折パターンを他の材料の粉末Ｘ線回折パターンと共に含む図である。
【図3】電圧計を含む一次アルカリ電池の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
電気化学セルすなわち電池は、一次電池または二次電池とすることができる。一次電池とは、例えば消耗するまで、一度だけ放電し、次いで廃棄される電池を意味する。一次電池については、例えば、Ｄａｖｉｄ ＬｉｎｄｅｎによるＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（第４版、２０１１）に記述されている。二次電池は、充電することを意図している。二次電池は、例えば、５０回よりも多く、１００回、またはそれよりも多く、放電および充電することができる。二次電池については、例えば、Ｄａｖｉｄ ＬｉｎｄｅｎによるＨａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ（第４版、２０１１）に記述されている。よって、電池は、種々の電気化学対と電解質の組合せを含むことができる。本発明において提供する説明および例は、一般に一次アルカリ電気化学セルすなわち一次アルカリ電池に関するが、本発明は、水系、非水系、イオン液体系、および固体系の一次電池と二次電池の両方に当てはまることを理解されたい。
【0011】
よって、前述した系の一次電池および二次電池は、本出願の範囲内であり、本発明は、いかなる具体的な実施形態にも限定されない。
【0012】
図１を参照すると、カソード１２、アノード１４、セパレータ１６、および筐体１８を含む、一次アルカリ電気化学セルすなわち一次アルカリ電池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の負端子としての役割を果たす。電池１０においてエンドキャップ２４とは反対端に正ピップ２６がある。正ピップ２６は、電池１０の正端子としての役割を果たす。電池１０全体に電界溶液が分散している。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、筐体１８内に収容される。電池１０は、例えば、ＡＡ、ＡＡＡ、ＡＡＡＡ、Ｃ、またはＤサイズのアルカリ電池とすることができる。
【0013】
筐体１８は、一次アルカリ電池に一般に使用される従来のタイプの任意の筐体とすることができ、例えば冷間圧延鋼材またはニッケルめっき冷間圧延鋼材などの好適な任意の基材で作ることができる。筐体１８は円筒形状を有することができる。筐体１８は、他の好適な任意の非円筒形状でもよい。筐体１８は、例えば、長方形、正方形、またはプリズム形状などの少なくとも２つの平行板を備える形状を有してもよい。筐体１８は、例えば、冷間圧延鋼材またはニッケルめっき鋼材などの基材シートから深絞り加工することができる。筐体１８は、例えば、円筒形状に絞り込み加工されてもよい。筐体１８は、少なくとも１つの開放端を有することができる。筐体１８は、閉鎖端および開放端を有し、それらの間に側壁を有することができる。筐体１８の側壁の内部表面は、筐体１８の側壁の内部表面とカソード１２などの電極との間の電気接触抵抗を低くする材料で処理することができる。筐体１８の側壁の内部表面は、例えば、筐体１８の側壁の内表面とカソード１２の間の接触抵抗を低減するために、例えば、ニッケル、コバルトによりめっきされてもよく、および／または炭素配合塗料で塗装されてもよい。
【0014】
カソード１２は、少なくとも１つ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、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルとすることができる。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、一般化学式ＬｉｘＡｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏを有することができ、ここで、ｘが約０．０２から約０．２０、ｙが約０．０３から約０．２０、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１であり、Ａがアルカリ金属を含み、Ｍが、アルカリ土類金属、遷移金属、非遷移金属、およびそれらの任意の組合せを含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、一般化学式ＬｉｘＡｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏを有することができ、ここで、ｘが約０．０３から約０．１２、ｙが約０．０３から約０．２０、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１であり、Ａがアルカリ金属を含み、Ｍが、アルカリ土類金属、遷移金属、非遷移金属、およびそれらの任意の組合せを含む。電気化学的に活性なカソード材料は、重量当り容量を有することができる。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料は、約３５０ｍＡｈ／ｇよりも大きい重量当り容量を有してもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料は、約３５０ｍＡｈ／ｇから約４００ｍＡｈ／ｇの重量当り容量を有してもよい。
【0015】
元素周期表の第１Ａ族の元素は、一般にアルカリ金属と称する。アルカリ金属は、元素周期表の第１Ａ族の元素または元素の任意の組合せを含むことができる。アルカリ金属には、例えば、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、およびそれらの任意の組合せが含まれてもよい。
【0016】
元素周期表の第ＩＩＡ族の元素は、一般的にアルカリ土類金属と称する。アルカリ土類金属は、元素周期表の第ＩＩＡ族の元素または元素の組合せを含むことができる。アルカリ土類金属には、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）が含まれてもよい。
【0017】
元素周期表の第ＩＢ族～第ＶＩＩＩＢ族の元素は、一般的に遷移金属と称する。遷移金属は、元素周期表の第ＩＢ族～第ＶＩＩＩＢ族の元素または元素の組合せを含むことができる。遷移金属には、例えば、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、イットリウム（Ｙ）、チタン（Ｔｉ）、およびそれらの任意の組合せが含まれてもよい。
【0018】
非遷移金属は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウム（Ｉｎ）、スズ（Ｓｎ）、およびそれらの任意の組合せを含むことができる。
【0019】
アルカリ金属は、例えば、カリウム（Ｋ）でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、ＬｉｘＫｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏとすることができ、ここで、ｘが約０．０２から約０．２０、ｙが約０．０３から約０．２０、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１である。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、ＬｉｘＫｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｚＯ２・ｎＨ２Ｏとすることができ、ここで、ｘが約０．０２から約０．２０、ｙが約０．０８から約０．１３、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１であり、Ｍが、アルカリ土類金属、遷移金属、非遷移金属、およびそれらの任意の組合せを含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、Ｌｉ０．１１Ｋ０．１１ＮｉＯ２・０．５Ｈ２ＯまたはＬｉ０．０６Ｋ０．１２ＮｉＯ２・０．５３Ｈ２Ｏでもよい。
【0020】
アルカリ土類金属は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、ＬｉｘＫｙＮｉ１＋ａ－ｚＭｇｚＯ２・ｎＨ２Ｏでもよく、ここで、ｘが約０．０２から約０．２、ｙが約０．０３から約０．２、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１である。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、Ｌｉ０．１５Ｋ．１０Ｎｉ１．０５Ｍｇ０．０４Ｏ２・０．２４Ｈ２Ｏでもよい。
【0021】
遷移金属は、例えば、コバルト（Ｃｏ）でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、ＬｉｘＫｙＮｉ１＋ａ－ｚＣｏｚＯ２・ｎＨ２Ｏでもよく、ここで、ｘが約０．０２から約０．２、ｙが約０．０３から約０．２、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１である。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、Ｌｉ０．０４Ｋ０．１１Ｎｉ０．９７Ｃｏ０．０３Ｏ２・ｎＨ２Ｏでもよい。
【0022】
非遷移金属は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、ＬｉｘＫｙＮｉ１＋ａ－ｚＡｌｚＯ２・ｎＨ２Ｏでもよく、ここで、ｘが約０．０２から約０．２、ｙが約０．０３から約０．２、ａが約０から約０．２、ｚが約０から約０．２、ｎが約０から約１である。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの化学式は、例えば、Ｌｉ０．１２Ｋ０．０９Ｎｉ１．０８Ａｌ０．０２Ｏ２・１８Ｈ２Ｏでもよい。
【0023】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のアルカリ金属（１つまたは複数）、アルカリ土類金属（１つまたは複数）、遷移金属（１つまたは複数）、および／または非遷移金属（１つまたは複数）の含有量は、当該技術で既知の許容可能な任意の方法により決定することができる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のアルカリ金属（１つまたは複数）および遷移金属（１つまたは複数）の含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ－ＡＥＳ）および／または原子吸光（ＡＡ）分光分析により決定されてもよい。ＩＣＰ－ＡＥＳおよび／またはＡＡ分析は、例えば、例えば、Ｊ．Ｒ．ＤｅａｎによるＰｒａｃｔｉｃａｌ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、６５～８７頁（２００５）と、Ｂ．ＷｅｌｚおよびＭ．Ｂ．ＳｐｅｒｌｉｎｇによるＡｔｏｍｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、２２１～２９４頁（第３版、１９９９）に記述されるような標準的な方法を使用して完了してもよい。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルなどのサンプル材料のＩＣＰ－ＡＥＳ分析を完了するために、堀場製作所（京都、日本）から入手可能なＵｌｔｉｍａ ２ ＩＣＰ分光計を使用することができる。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中に含まれる元素に応じた様々な波長でベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＩＣＰ－ＡＥＳ分析を実行することができる。
【0024】
ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定される、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のカリウム含有量は、約７重量パーセント未満でもよい。ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定される、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のカリウム含有量は、約３重量パーセントから約７重量パーセントでもよい。
【0025】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中の含水量は、当該技術で既知の許容可能な任意の方法により決定することができる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中の含水量は、熱重量分析（ＴＧＡ）により決定してもよい。ＴＧＡは、温度増加に応じたサンプル重量の変化を測定することによって、例えば、サンプル材料の吸収水および吸着水、サンプル材料の結晶格子中の含水量、およびサンプル材料中の総含水量を決定する。ＴＧＡについては、例えば、Ｒ．Ｆ．ＳｐｅｙｅｒによるＴｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（１９９４）に記述されている。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルなどのサンプル材料のＴＧＡを完了するために、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｎｅｗｃａｓｔｌｅ、デラウェア州、米国）から入手可能なＱ５０００分析器を使用することができる。
【0026】
粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）は、結晶性粉末などのサンプル材料の結晶格子構造の特徴を調べるために使用される分析技術である。結晶性サンプル材料のＸＲＤ分析は、サンプル材料の結晶構造中の回折平面に対応する様々な強度、幅、および回折角（ピーク位置）のピークから成る特徴的な回折パターンをもたらす。ＸＲＤパターンは、例えば、Ｂ．Ｄ．ＣｕｌｌｉｔｙおよびＳ．Ｒ．ＳｔｏｃｋによるＥｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（第３版、２００１）に記述されるような標準的な方法による、ＣｕＫα放射を使用するＸ線回折計で測定することができる。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルなどのサンプル材料の粉末ＸＲＤ分析を完了するために、Ｂｒｕｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｍａｄｉｓｏｎ、ウィスコンシン州、米国）から入手可能なＤ－８ Ａｄｖａｎｃｅ Ｘ線回折計を使用することができる。
【0027】
サンプル材料の単位セル長および単位セル角などの単位セルパラメータは、例えば、ＸＲＤパターンのＲｉｅｔｖｅｌｄ法により決定することができる。Ｒｉｅｔｖｅｌｄ法については、例えば、Ｈ．Ｍ．ＲｉｅｔｖｅｌｄによるＡ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｃｒｙｓｔ、６５～７１頁（１９６９）に記述されている。
【0028】
サンプル材料の結晶子サイズは、標準シリコン（Ｓｉ）を含むサンプル材料のＸＲＤパターンのピークブロードニングにより決定することができる。ピークブロードニング分析は、例えば、Ｈ．Ｐ．ＫｌｕｇおよびＬ．Ｅ．ＡｌｅｘａｎｄｅｒによるＸ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｄ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、６１８－６９４頁（１９７４）において議論されているような、例えば、単一ピークＳｃｈｅｒｒｅｒ法またはＷａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法により完了することができる。Ｗａｒｒｅｎ－Ａｖｅｒｂａｃｈ法は、サンプル材料の残留歪および応力を決定するために使用することもできる。
【0029】
半値全幅（ＦＷＨＭ）は、サンプル材料の回折パターン中のラインの相対先鋭度または幅広さの特徴を調べるために使用することができる。ＦＷＨＭは、ピークの強度を測定し、測定された強度を２で除算して半強度（半高さ）を計算し、計算された半高さでのピークの２θの幅を測定することによって、決定することができる。
【0030】
正規化強度は、サンプル材料の結晶格子中の特定の回折平面に関連する回折の相対効率を比較するためにピーク位置と共に使用することができる。正規化強度は、同じＸＲＤパターン中のピークについて計算することができる。ＸＲＤパターンの全てのピークを最大強度のピーク（基準ピーク）に対して正規化することができる。正規化は、パーセントで記録されるものであり、正規化されるピークの強度を基準ピークの強度により除算し、１００倍することによって行われる。例えば、基準ピークは４２５の強度を有することができ、正規化されるピークは１０６の強度を有する場合がある。このピークの正規化強度は２５％（例えば、［（１０６／４２５）・１００］）である。基準ピークは、１００％の正規化強度を有する。
【0031】
得られたＸＲＤパターンは、既知のＸＲＤパターンと比較することができる。比較ＸＲＤパターンは、既知のサンプル材料から生成することができる。加えて、得られたＸＲＤパターンは、例えば、国際回折データセンター（Ｎｅｗｔｏｎ Ｓｑｕａｒｅ、ペンシルベニア州、米国）から入手可能な粉末回折ファイル（ＰＤＦ）データベース中またはＦＩＺ Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ（Ｅｇｇｅｎｓｔｅｉｎ－Ｌｅｏｐｏｌｄｓｈａｆｅｎ、独国）から入手可能な無機結晶構造データベース（ＩＣＳＤ）における既知のＸＲＤパターンと比較されてもよい。既知のサンプル材料またはＰＤＦとの比較によって、サンプル材料の得られたＸＲＤパターンが、既知の材料のＸＲＤパターンと異なるか、類似するか、または等しいかが判定される。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルとの比較のためのＰＤＦデータベースにおける既知のＸＲＤパターンには、ベータオキシ水酸化ニッケルのＰＤＦ＃００－０６－０１４１、ガンマオキシ水酸化ニッケルのＰＤＦ＃００－００６７５、酸化ニッケルのＰＤＦ＃００－０５９－０４６３、ベータ水酸化ニッケルのＰＤＦ＃００－０５９－０４６３、および水酸化カリウムのＰＤＦ＃００－０３６－０７９１が含まれる。
【0032】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、特徴的なＸＲＤパターンを有することができる。ＸＲＤパターンには、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを示す、いくつかのピークまたはピークの組合せを含むことができる。ＸＲＤパターンには、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのいくつかのピークの特徴的なＦＷＨＭ値が含まれてもよい。ＸＲＤパターンには、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのいくつかのピークの特徴的な正規化強度が含まれてもよい。
【0033】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第１のピークを含んでもよい。第１のピークは、ＸＲＤパターン上において約１４．９°２θから約１６．０°２θのピーク位置を有してもよい。第１のピークは、例えば、約１５．４°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第２のピークを含んでもよい。第２のピークは、ＸＲＤパターン上において約２１．３°２θから約２２．７°２θのピーク位置を有してもよい。第２のピークは、例えば、約２２．１°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第３のピークを含んでもよい。第３のピークは、ＸＲＤパターン上において約３７．１°２θから約３７．４°２θのピーク位置を有してもよい。第３のピークは、例えば、約３７．３°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第４のピークを含んでもよい。第４のピークは、ＸＲＤパターン上において約４３．２°２θから約４４．０°２θのピーク位置を有してもよい。第４のピークは、例えば、約４３．６°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第５のピークを有してもよい。第５のピークは、ＸＲＤパターン上において約５９．６°２θから約６０．６°２θのピーク位置を有してもよい。第５のピークは、例えば、約６０．１°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第６のピークを含んでもよい。第６のピークは、ＸＲＤパターン上において約６５．４°２θから約６５．９°２θのピーク位置を有してもよい。第６のピークは、例えば、約６５．７°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第７のピークを含んでもよい。第７のピークは、ＸＲＤパターン上において約１０．８°２θから約１２．０°２θのピーク位置を有してもよい。第７のピークは、例えば、約１１．２°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第８のピークを含んでもよい。第８のピークは、ＸＲＤパターン上において約４７．２°２θから約４７．４°２θのピーク位置を有してもよい。第８のピークは、例えば、約４７．３°２θにあってもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、第９のピークを含んでもよい。第９のピークは、ＸＲＤパターン上において約４８．１°２θから約４８．６°２θのピーク位置を有してもよい。第９のピークは、例えば、約４８．３°２θにあってもよい。
【0034】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第１のピークは、ＦＷＨＭ（ＦＷＨＭ）を有することができる。第１のピークのＦＷＨＭは、約１．０１から約２．０９とすることができる。第１のピークのＦＷＨＭは、例えば、約１．３７でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第２のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第２のピークのＦＷＨＭは、約０．８６から約１．９５でもよい。第２のピークのＦＷＨＭは、例えば、約１．３７でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第３のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第３のピークのＦＷＨＭは、約０．２３から約０．４１でもよい。第３のピークのＦＷＨＭは、例えば、約０．２８でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第４のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第４のピークのＦＷＨＭは、約０．４０から約０．７５でもよい。第４のピークのＦＷＨＭは、例えば、約０．６０でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第５のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第５のピークのＦＷＨＭは、約０．５７から約１．４５でもよい。第５のピークのＦＷＨＭは、例えば、約０．９２でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第６のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第６のピークのＦＷＨＭは、約０．２７から約０．５３でもよい。第６のピークのＦＷＨＭは、例えば、約０．３６でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第７のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第７のピークのＦＷＨＭは、約０．５６から約１．７３でもよい。第７のピークのＦＷＨＭは、例えば、約１．１３でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第８のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第８のピークのＦＷＨＭは、約０．０８から約０．２１でもよい。第８のピークのＦＷＨＭは、例えば、約０．１５でもよい。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンの第９のピークは、ＦＷＨＭを有することができる。第９のピークのＦＷＨＭは、約０．３３から約０．５８でもよい。第９のピークのＦＷＨＭは、例えば、約０．４５でもよい。
【0035】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンのピークを正規化することができる。ＸＲＤパターンのピークは、例えば、ＸＲＤパターンの第３のピークに対して、正規化してもよい。ＸＲＤパターンの第１のピークの正規化強度は、約１３％から約３７％でもよい。ＸＲＤパターンの第１のピークの正規化強度は、例えば、約２４％でもよい。ＸＲＤパターンの第２のピークの正規化強度は、約６％から約１６％でもよい。ＸＲＤパターンの第２のピークの正規化強度は、例えば、約１０％でもよい。ＸＲＤパターンの第３のピークの正規化強度は、例えば、１００％でもよい。ＸＲＤパターンの第４のピークの正規化強度は、約４５％から約７３％でもよい。ＸＲＤパターンの第４のピークの正規化強度は、例えば、約５８％でもよい。ＸＲＤパターンの第５のピークの正規化強度は、約７％から約１７％でもよい。ＸＲＤパターンの第５のピークの正規化強度は、例えば、約１１％でもよい。ＸＲＤパターンの第６のピークの正規化強度は、約４１％から約６１％でもよい。ＸＲＤパターンの第６のピークの正規化強度は、例えば、約４８％でもよい。ＸＲＤパターンの第７のピークの正規化強度は、約２％から約１８％でもよい。ＸＲＤパターンの第７のピークの正規化強度は、例えば、約６％でもよい。ＸＲＤパターンの第８のピークの正規化強度は、約８％から約２０％でもよい。ＸＲＤパターンの第８のピークの正規化強度は、例えば、約１０％でもよい。ＸＲＤパターンの第９のピークの正規化強度は、約６％から約２０％でもよい。ＸＲＤパターンの第９のピークの正規化強度は、例えば、約１２％でもよい。
【0036】
電気化学的に活性なカソード材料は、放電中に還元し、電池内の電解質中の水が同時に消費される。これによって、電気化学的に活性なカソード材料の構造中に、水酸化物が形成され、陽子が内包される。例えば、従来型のアルカリ電池は、電気化学的に活性なカソード材料として電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）を含む場合がある。この従来型の電池では、１電子還元プロセスにより３＋の酸化状態のマンガンに還元されうる４＋の酸化状態にあるマンガン１モル当り、１モルの水が消費されうる。例えば、非従来型のアルカリ電池は、電気化学的に活性なカソード材料としてベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含むことができる。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルは、例えば、化学式Ｌｉ０．０６Ｋ０．１２ＮｉＯ２・０．５３Ｈ２Ｏを有することができる。この非従来型の電池では、２電子還元プロセスにより２＋の酸化状態のニッケルに還元されうる４＋の酸化状態にあるニッケル１モル当り、２モルの水が消費されうる。この非従来型の電池では、また、１電子還元プロセスにより２＋の酸化状態のニッケルに還元されうる３＋の酸化状態にあるニッケル１モル当り、１モルの水が消費されうる。よって、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含む電池の電気化学放電は、完全な放電を達成するために、ニッケル１モル当り１モルよりも多くの水を必要とする場合がある。加えて、放電中にアノードの分極を最小化し、電池の保管中に自己放電により消費される水を補償するために、余分な水量が必要となる場合がある。必要となるであろう余剰水の量は、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの具体的な化学組成に依存する。電池には、水系アルカリ電解溶液中にベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの水分量として水が導入されてもよい。電解質は、電池全体に分散してもよい。電池内にある水の総量は、種々の方法により増加させることができる。例えば、電池に加えられてもよいアルカリ電解質の総量。さらに、電池内の水の量は、水系アルカリ電解溶液の水酸化カリウム濃度を低くすることにより増加されてもよい。一般に、電気化学的に活性な材料の含有分のために利用可能な内部容積を最大化するために、最小体積のアルカリ電解溶液を電池に加えることが望ましい。
【0037】
カソード１２は、少なくとも１つ以上の追加の電気化学的に活性なカソード材料を含んでもよい。追加の電気化学的に活性なカソード材料には、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）、高電力電解二酸化マンガン（ＨＰ ＥＭＤ）、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、およびそれらの任意の組合せを含むことができる。他の電気化学的に活性なカソード材料には、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、高原子価ニッケル化合物、酸素、およびそれらの任意の組合せが含まれるが、これらに限定されない。酸化ニッケルには、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により覆われたオキシ水酸化ニッケル、アルファ脱リチウム層状酸化ニッケル、およびそれらの任意の組合せを含むことができる。水酸化ニッケルまたはオキシ水酸化ニッケルには、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むことができる。オキシ水酸化コバルトにより覆われたオキシ水酸化ニッケルには、オキシ水酸化コバルトにより覆わ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により覆われたガンマオキシ水酸化ニッケル、および／またはオキシ水酸化コバルトにより覆われた、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連晶を含むことができる。高原子価ニッケル化合物には、ニッケル酸バリウムおよび過ヨウ素酸ニッケルカリウムを含むことができる。
【0038】
カソード１２は、炭素などの導電性添加材およびバインダを含んでもよい。カソード１２は、他の添加材を含んでもよい。炭素は、カソード１２の固体構造中における電子流を促すことによりカソード１２の導電率を高めることができる。炭素は、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、炭素ファイバ、炭素ナノファイバ、炭素ナノリボン、炭素ナノプレートレット、およびそれらの混合物でもよい。カソード中の炭素の量は、例えば、約１２％未満、約１０％未満、約９％未満、約８％未満、約６％未満、約３．７５％未満、または約３．５％未満、例えば約２．０％から約３．５％など、比較的少ないことが好ましい。炭素レベルを低くすることによって、カソード１２の体積を増やしたり、電池１０内の空隙体積（空隙体積は、ガスがセル内で発生するときに内圧が高くなりすぎることを防ぐために一定のレベル以上に維持されなければならない）を減らしたりせずに、より多くの電気化学的に活性なカソード材料のローディングをカソード１２中に内包することが可能となる。電池内での使用に適した黒鉛は、例えば、ＴＩＭＣＡＬ Ｃａｒｂｏｎ ＆ Ｇｒａｐｈｉｔｅ（Ｂｏｄｉｏ、スイス国）からいずれも入手可能な、ＭＸ－１５、ＳＦＧ－１５、ＭＸ－２５、ＢＮＢ－９０および／またはＢＮＣ－３０でもよい。
【0039】
一般に、カソードは、実質的に非膨張黒鉛を含まないことが好ましい。非膨張黒鉛粒子は、カソードペレット形成プロセスに潤滑性をもたらすが、このタイプの黒鉛は、膨張黒鉛よりも著しく導電性が低く、よって、膨張黒鉛を含むカソードと同じカソード導電率を得るためにより多くの非膨張黒鉛を使用する必要がある。カソード１２は、低レベルの非膨張黒鉛を含んでもよい。しかし、非膨張黒鉛を内包することによって、非膨張黒鉛の低い導電率に起因して、カソード導電率を適切なレベルに維持しながら得られる黒鉛濃度の減少を損ねる場合がある。
【0040】
カソード１２において使用できる任意選択的なバインダの例には、ポリエチレン、ポリアクリル酸、またはＰＶＤＦもしくはＰＴＦＥなどのフルオロカーボン樹脂が含まれる。カソード１２において使用するための任意選択的なバインダは、例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、デラウェア州、米国）から入手可能なＣＯＡＴＨＹＬＥＮＥ ＨＡ－１６８１でもよい。他のカソード添加材の例については、例えば、米国特許第５，６９８，３１５号、同第５，９１９，５９８号、同第５，９９７，７７５号および同第７，３５１，４９９号明細書に記述されている。
【0041】
カソード１２内の電気化学的に活性なカソード材料の含有量は、カソードローディングと称する場合がある。カソード１２のローディングは、電池１０内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のサイズに応じて変化してもよい。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を有するＡＡ電池は、少なくとも約６グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのカソードローディングを有してもよい。カソードローディングは、例えば、少なくとも約７グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、例えば、約７．２グラムと約１１．５グラムの間のベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、約８グラムから約１０グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、約８．５グラムから約９．５グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、約９．５グラムから約１１．５グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、約１０．４グラムから約１１．５グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。ＡＡＡ電池の場合、カソードローディングは、少なくとも約３グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料でもよい。カソードローディングは、約３グラムから約５グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、約３．５グラムから約４．５グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。カソードローディングは、約３．９グラムから約４．３グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルでもよい。ＡＡＡＡ電池の場合、カソードローディングは、約１．５グラムから約２．５グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料でもよい。Ｃ電池の場合、カソードローディングは、約２７．０グラムから約４０．０グラム、例えば約３３．５グラム、のベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料でもよい。Ｄ電池の場合、カソードローディングは、約６０．０グラムから約８４．０グラム、例えば約７２．０グラムの、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料でもよい。
【0042】
活性カソード材料（１つまたは複数）、炭素粒子、バインダ、および他の任意の添加材などのカソード要素は、電池１０の組立に使用するために、水系水酸化カリウム電解質などの液体と組み合わせ、混合し、押してペレットにすることができる。最適なカソードペレット処理では、一般に、カソードペレットは、約２％から約５％、より好ましくは約２．８％から約４．６％の範囲の水分レベルを有することが好ましい。ペレットは、電池１０の組立中に筐体１８内に置かれた後に、一般的に、筐体１８内に均一なカソードアセンブリを形成するために再圧縮される。カソードペレットは、中心ボアを含む円筒形状を有してもよい。ペレットのサイズは、ペレットが内部で使用される電池のサイズ、例えばＡＡサイズ、ＡＡＡサイズ、ＡＡＡＡサイズ、Ｃサイズ、およびＤサイズによって変化してもよい。中心ボアは、ペレットの内径（ＩＤ）を規定してもよい。ＡＡ電池のペレットの内径は、例えば、約９．１ｍｍから約９．９ｍｍでもよい。ＡＡ電池のペレットの内径は、例えば、約９．３ｍｍから約９．７ｍｍでもよい。ＡＡＡ電池のペレットの内径は、例えば、約６．６ｍｍから約７．２ｍｍでもよい。ＡＡＡ電池のペレットの内径は、例えば、約６．７ｍｍから約７．１ｍｍでもよい。ＡＡＡＡ電池のペレットの内径は、例えば、約５ｍｍから約５．５ｍｍでもよい。Ｃ電池のペレットの内径は、例えば、約１６ｍｍから約１９ｍｍでもよい。Ｄ電池のペレットの内径は、例えば、約２１ｍｍから約２５ｍｍでもよい。
【0043】
カソード１２は、カソード製造時に計算されうる空隙率を有する。カソード１２の空隙率は、約２０％から約４０％、約２２％と約３５％の間、例えば、約２６％でもよい。カソード１２の空隙率は、製造時、例えば、カソードペレット処理の後に計算することができる。これは、電池１０内のカソード１２の空隙率が、特に、カソードの電解質の湿潤および電池１０の放電と関連するカソード膨張に起因して、時間と共に変化するからである。カソード１２の空隙率は、以下のように計算することができる。各固体カソード要素の真密度は、例えばＬａｎｇｅ’ｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（第１６版、２００５）などの参考書から得ることができる。カソード要素のそれぞれの固体重量は、電池設計により規定される。各カソード要素の固体重量は、カソード固体体積を決定するために各カソード要素の真密度により除算することができる。電池１０内でカソード１２が占める体積も、電池設計により規定される。カソード１２が占める体積は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）プログラムにより計算することができる。空隙率は、以下の数式により決定される
カソード空隙率＝［１－（カソード固体体積÷カソード体積）］×１００
例えば、ＡＡ電池のカソード１２は、カソード１２内の固体として、約９．０グラムのアルファ脱リチウム層状酸化ニッケルと、約０．９０グラムの黒鉛（ＢＮＣ－３０）を含んでもよい。アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルと黒鉛の真密度は、それぞれ、約４．９ｇ／ｃｍ３と約２．１５ｇ／ｃｍ３とすることができる。固体の重量をそれぞれの真密度により除算すると、アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルが占める体積約１．８ｃｍ３と、黒鉛が占める体積約０．４２ｃｍ３が得られる。総固体体積は約２．２ｃｍ３である。電池設計者は、カソード１２が占める体積を約３．０６ｃｍ３となるように選択することができる。上の方程式に従って、カソード空隙率を計算する［１－（２．２ｃｍ３÷３．０６ｃｍ３）］と、約０．２８すなわち２８％のカソード空隙率が得られる。
カソード空隙率＝［１－（カソード固体体積÷カソード体積）］×１００
例えば、ＡＡ電池のカソード１２は、カソード１２内の固体として、約９．０グラムのアルファ脱リチウム層状酸化ニッケルと、約０．９０グラムの黒鉛（ＢＮＣ－３０）を含んでもよい。アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルと黒鉛の真密度は、それぞれ、約４．９ｇ／ｃｍ３と約２．１５ｇ／ｃｍ３とすることができる。固体の重量をそれぞれの真密度により除算すると、アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルが占める体積約１．８ｃｍ３と、黒鉛が占める体積約０．４２ｃｍ３が得られる。総固体体積は約２．２ｃｍ３である。電池設計者は、カソード１２が占める体積を約３．０６ｃｍ３となるように選択することができる。上の方程式に従って、カソード空隙率を計算する［１－（２．２ｃｍ３÷３．０６ｃｍ３）］と、約０．２８すなわち２８％のカソード空隙率が得られる。
【0044】
アノード１４は、少なくとも１つ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添加材で作ることができる。電気化学的に活性なアノード材料には、亜鉛、酸化亜鉛、水酸化亜鉛、カドミウム、鉄、ＡＢ５（Ｈ）、ＡＢ２（Ｈ）、およびＡ２Ｂ７（Ｈ）などの金属水酸化物、それらの合金、ならびにそれらの任意の組合せを含むことができる。
【0045】
アノード１４内の電気化学的に活性なアノード材料の含有量は、アノードローディングと称する場合がある。アノード１４のローディングは、電池内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サイズに応じて変化してもよい。例えば、電気化学的に活性なアノード材料を有するＡＡ電池は、少なくとも約３．３グラムの亜鉛のアノードローディングを有してもよい。アノードローディングは、例えば、少なくとも約３．５グラム、約３．７グラム、約３．９グラム、約４．１グラム、約４．３グラム、または約４．５グラムの亜鉛でもよい。アノードローディングは、約４．０グラムから約５．５グラムの亜鉛でもよい。アノードローディングは、約４．２グラムから約５．３グラムの亜鉛でもよい。例えば、亜鉛である電気化学的に活性なアノード材料を有するＡＡＡ電池は、少なくとも約１．８グラムの亜鉛のアノードローディングを有してもよい。例えば、アノードローディングは、約１．８グラムから約２．５グラムの亜鉛でもよい。アノードローディングは、例えば、約１．９グラムから約２．４グラムの亜鉛でもよい。例えば、亜鉛である電気化学的に活性なアノード材料を有するＡＡＡＡ電池は、少なくとも約０．６グラムの亜鉛のアノードローディングを有してもよい。例えば、アノードローディングは、約０．７グラムから約１．３グラムの亜鉛でもよい。例えば、亜鉛である電気化学的に活性なアノード材料を有するＣ電池は、少なくとも約９．３グラムの亜鉛のアノードローディングを有してもよい。例えば、アノードローディングは、約１０．０グラムから約１９．０グラムの亜鉛でもよい。例えば、亜鉛である電気化学的に活性なアノード材料を有するＤ電池は、少なくとも約３０．０グラムの亜鉛のアノードローディングを有してもよい。例えば、アノードローディングは、約３０．０グラムから約４５．０グラムの亜鉛でもよい。アノードローディングは、例えば、約３３．０グラムから約３９．５グラムの亜鉛でもよい。
【0046】
アノード１４内で使用されうるゲル化剤の例には、ポリアクリル酸、ジビニルグリコールのポリアルケニルエーテルと架橋したポリアクリル酸、グラフト化した澱粉材料、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）、またはそれらの組合せが含まれる。アノード１４は、ビスマス、スズ、またはインジウムなどの無機材料を含みうるガス発生防止剤を含んでもよい。代わりに、ガス発生防止剤は、リン酸エステル、イオン性界面活性剤または非イオン性界面活性剤などの有機化合物を含んでもよい。
【0047】
電解質は、カソード１２、アノード１４、およびセパレータ１６の全体に分散してもよい。電解質は、水系溶液中のイオン伝導性成分を含む。イオン伝導性成分は水酸化物でもよい。水酸化物は、例えば、水酸化カリウム、水酸化セシウム、およびそれらの任意の組合せでもよい。イオン伝導性成分の濃度は、電池設計および電池の所望の性能に応じて選択されてもよい。水系アルカリ電解質は、イオン伝導性成分として、水を有する溶液中に水酸化物を含むことができる。電解質中の水酸化物の濃度は、電池１０内の総電解質の重量ベースで約０．２０から約０．４０、すなわち約２０％から約４０％でもよい。例えば、電解質の水酸化物濃度は、電池１０内の総電解質の重量ベースで約０．２５から約０．３２、すなわち約２５％から約３２％でもよい。水系アルカリ電解質は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含んでもよい。ＺｎＯは、アノード内の亜鉛腐食を抑制する役割を果たすことができる。電解質中に含まれるＺｎＯの濃度は、電池１０内の総電解質の約５重量％未満でもよい。ＺｎＯ濃度は、例えば、電池１０内の総電解質の約１重量％から約３重量％でもよい。
【0048】
ＡＡアルカリ電池内の水系アルカリ電解質の総重量は、例えば、約３．０グラムから約４．４グラムでもよい。ＡＡ電池内の電解質の総重量は、例えば、約３．３グラムから約３．８グラムでもよい。ＡＡ電池内の電解質の総重量は、例えば、約３．４グラムから約３．６５グラムでもよい。ＡＡＡアルカリ電池内の水系アルカリ電解質の総重量は、例えば、約１．０グラムから約２．０グラムでもよい。ＡＡＡ電池内の電解質の総重量は、例えば、約１．２グラムから約１．８グラムでもよい。ＡＡＡ電池内の電解質の総重量は、例えば、約１．４グラムから約１．８グラムでもよい。ＡＡＡＡ電池内の電解質の総重量は、約０．６８グラムから約１グラム、例えば、約０．８５グラムから約０．９５グラムでもよい。Ｃ電池内の電解質の総重量は、約１１グラムから約１４グラム、例えば、約１２．６グラムから約１３．６グラムでもよい。Ｄ電池内の電解質の総重量は、約２２グラムから約３０グラム、例えば、約２４グラムから約２９グラムでもよい。
【0049】
セパレータ１６は、電解質により湿潤可能な材料か、または湿潤された材料を備える。液体と材料の表面との間の接触角が９０°未満であるとき、または液体が材料の表面全体に自然に広がるときに、材料が液体により湿潤されているといえ、両方の条件は通常並存する。セパレータ１６は、単一層または複数層の織紙もしくは不織紙または織布もしくは不織布を備えてもよい。セパレータ１６は、不織材料層と組み合わされた層、例えばセロハン層を備えてもよい。セパレータ１６は、不織材料の追加層を含むこともできる。セパレータ１６は、電池１０内の原位置で形成されてもよい。米国特許第６，５１４，６３７号明細書は、例えば、そのようなセパレータ材料と、それらの潜在的に好適な適用方法とを開示している。セパレータ材料は、薄くすることができる。セパレータ１６は、例えば、２５０マイクロメートル（ミクロン）未満の乾燥材料厚さを有してもよい。セパレータ１６は、約５０ミクロンから約１７５ミクロンの乾燥材料厚さを有してもよい。セパレータ１６は、約７０ミクロンから約１６０ミクロンの乾燥材料厚さを有してもよい。セパレータ１６は、約４０ｇ／ｍ２以下の秤量を有してもよい。セパレータ１６は、約１５ｇ／ｍ２から約４０ｇ／ｍ２の秤量を有してもよい。セパレータ１６は、約２０ｇ／ｍ２からから約３０ｇ／ｍ２の秤量を有してもよい。セパレータ１６は、通気性値を有することができる。セパレータ１６は、国際標準化機構（ＩＳＯ）規格２９６５に定義されるような通気性値を有してもよい。セパレータ１６の通気性値は、約２０００ｃｍ３／ｃｍ２・分＠１ｋＰａから約５０００ｃｍ３／ｃｍ２・分＠１ｋＰａでもよい。セパレータ１６の通気性値は、約３０００ｃｍ３／ｃｍ２・分＠１ｋＰａから約４０００ｃｍ３／ｃｍ２・分＠１ｋＰａでもよい。セパレータ１６の通気性値は、約３５００ｃｍ３／ｃｍ２・分＠１ｋＰａから約３８００ｃｍ３／ｃｍ２・分＠１ｋＰａでもよい。
【0050】
集電体２０は、当該技術において既知の任意の方法により具体的な電池設計に適した任意の形状に作られてもよい。集電体２０は、例えば、爪状の形状を有してもよい。集電体２０は、柱状本体と、柱状本体の一端に配置されたヘッドとを有してもよい。集電体２０は、金属、例えば、亜鉛、銅、真ちゅう、銀、または他の好適な任意の材料で作られてもよい。集電体２０は、任意選択的に、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との間の低い電気接触抵抗を示す別の好適な材料でめっきされてもよい。めっき材料は、集電体２０がアノード１４により接触されるときにガス形成を抑制する能力を発揮してもよい。
【0051】
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、ポリマー複合体、およびそれらの任意の組合せを所定の寸法の形状に射出成形することにより用意されてもよい。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、ナイロン１１、ポリプロピレン、ポリエーテルウレタン、コポリマー、複合材料、およびそれらの任意の組合せから作られてもよい。例示的な射出成形法には、コールドランナ法とホットランナ法の両方が含まれてもよい。シール２２には、可塑剤、結晶核剤、抗酸化物質、離型剤、潤滑剤、および帯電防止剤などの他の既知の機能性材料が含まれてもよい。シール２２は、防水剤で被覆されてもよい。シール２２は、電池１０内で使用する前に加湿されてもよい。シール２２は、例えば、シール材料に応じて約１．０重量パーセントから約９．０重量パーセントの水分量を有してもよい。集電体２０は、シール２２に挿入され、シールを貫通してもよい。
【0052】
エンドキャップ２４は、それぞれの電池を閉鎖するのに十分な任意の形状で形成されてもよい。エンドキャップ２４は、例えば、円筒形状またはプリズム形状を有してもよい。エンドキャップ２４は、好適な寸法の所望の形状に材料を押圧することにより形成されてもよい。エンドキャップ２４は、電池１０の放電中に電子を伝導する好適な任意の材料から作られてもよい。エンドキャップ２４は、例えば、ニッケルめっき鋼材またはスズめっき鋼材から作られてもよい。エンドキャップ２４は、集電体２０に電気接続されてもよい。エンドキャップ２４は、例えば、集電体２０に溶接することにより集電体２０と電気接続されてもよい。エンドキャップ２４は、例えば、深放電中またはデバイス内での電池１０の反転中などの、電池１０内でのガス発生イベント中にエンドキャップ２４の下で強まりベントの破裂を招きうる任意のガス圧力を逃がすための１つまたは複数の穴などの開口を含んでもよい。集電体２０、シール２２、およびエンドキャップ２４は、集合的にエンドキャップアセンブリと称する場合がある。
【0053】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含むカソード１２を含む電池１０は、ボルトで測定される開路電圧（ＯＣＶ）を有することができる。電池１０は、約１．７Ｖから約１．８ＶのＯＣＶを有してもよい。電池１０は、例えば、約１．７６ＶのＯＣＶを有してもよい。
【0054】
電池１０は、水抽出可能なカリウムの含有量を有することができる。電池１０内の水抽出可能なカリウムの含有量は、当該技術で既知の許容可能な任意の方法により決定することができる。例えば、水抽出可能なカリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定してもよい。ＩＣＰ－ＡＥＳの詳細については、上で議論している。例えば、アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、放電していない電池から取り外されてもよい。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、サンプル溶液を用意するために、例えば、脱イオン水で洗浄されてもよい。サンプル溶液中のカリウム含有量は、次いでＩＣＰ－ＡＥＳにより決定することができる。電池１０の水抽出可能なカリウムの含有量は、約０．４ｇから約０．６ｇでもよい。電池１０の水抽出可能なカリウムの含有量は、約０．０１モルから約０．０１５モルでもよい。
【0055】
電池１０は、水抽出可能な水酸化カリウムの含有量を有することができる。水抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された水抽出可能なカリウムの含有量および水酸化カリウム（ＫＯＨ）の式量から計算することができる。水酸化カリウム中には、水酸化物（ＯＨ）１モル当り１モルのカリウム（Ｋ）がある。水抽出可能なカリウムのモル数を決定するために、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された水抽出可能なカリウムの含有量（グラム）は、カリウムの式量（３９．０９８３ｇ／モル）で除算することができる。水抽出可能な水酸化カリウムの重量（グラム）を得るために、水抽出可能なカリウムのモルは、水酸化カリウムの式量（５６．１０５６ｇ／モル）で乗算することができる。電池１０の水抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、約０．５ｇから約１ｇでもよい。電池１０の水抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、約０．０１モルから約０．０２モルでもよい。
【0056】
電池１０は、酸抽出可能なカリウムの含有量を有することができる。電池１０内の酸抽出可能なカリウムの含有量は、当該技術で既知の許容可能な任意の方法により決定することができる。例えば、酸抽出可能なカリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定してもよい。ＩＣＰ－ＡＥＳの詳細については、上で議論している。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、放電した電池から取り外されてもよい。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、サンプル溶液を用意するために、例えば、硫酸で洗浄されてもよい。サンプル溶液中のカリウム含有量は、次いでＩＣＰ－ＡＥＳにより決定することができる。電池１０の酸抽出可能なカリウムの含有量は、約０．８ｇから約１ｇでもよい。電池１０の酸抽出可能なカリウムの含有量は、約０．０２モルから約０．０２５モルでもよい。
【0057】
電池１０は、酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量を有することができる。酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された酸抽出可能なカリウムの含有量および水酸化カリウム（ＫＯＨ）の式量から計算することができる。水酸化カリウム中には、水酸化物（ＯＨ）１モル当り１モルのカリウム（Ｋ）がある。
【0058】
ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された酸抽出可能なカリウムの含有量（グラム）は、酸抽出可能なカリウムのモル数を決定するためにカリウム（３９．０９８３ｇ／モル）の式量で除算することができる。酸抽出可能な水酸化カリウムの重量（グラム）を得るために、酸抽出可能なカリウムのモルは、水酸化カリウム（５６．１０５６ｇ／モル）の式量で乗算することができる。電池１０の酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、約１ｇから約１．４ｇでもよい。電池１０の酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、約０．０２モルから約０．０２５モルでもよい。
【0059】
電池１０は総含水量を有することができる。電池１０内の総含水量は、当該技術で既知の許容可能な任意の方法により決定することができる。例えば、総含水量は、重量変化測定により決定してもよい。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリを、放電していない電池から取り外してもよい。サンプルは、約８から１０時間の間、例えば約１７５℃の高温で、加熱することができる。電池１０の総含水量は、以下の合計である。（１）アノード／セパレータアセンブリの重量ロスおよび（２）カソードアセンブリの重量ロス。電池１０の総含水量は、約２．５ｇから約３ｇでもよい。電池１０の総含水量は、約０．１４モルから約０．１７モルでもよい。
【0060】
電池１０は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量の比率を有することができる。水抽出可能な水酸化カリウムの含有量および電気化学的に活性なカソード材料の含有量はグラムまたはモルで測定することができる。水抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量の比率を決定するために、電気化学的に活性なカソード材料の含有量で除算することができる。電池１０の電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量（グラム）の比率は、約０．１未満でもよい。電池１０の電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量（グラム）の比率は、約０．０５から約０．１でもよい。電池１０の電気化学的に活性なカソード材料の含有量（モル）に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量（モル）の比率は、約０．１５未満でもよい。
【0061】
電池１０は、電気化学的に活性なアノード材料の含有量に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量の比率を有することができる。水抽出可能な水酸化カリウムの含有量および電気化学的に活性なアノード材料の含有量は、グラムまたはモルで測定することができる。水抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、電気化学的に活性なアノード材料の含有量に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量の比率を決定するために、電気化学的に活性なアノード材料の含有量で除算することができる。電池１０の電気化学的に活性なアノード材料の含有量（グラム）に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量（グラム）の比率は、約０．２未満でもよい。電池１０の電気化学的に活性なアノード材料の含有量（モル）に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量（モル）の比率は、約０．２未満でもよい。
【0062】
電池１０は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量の比率を有することができる。酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量および電気化学的に活性なカソード材料の含有量は、グラムまたはモルで測定することができる。酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量の比率を決定するために、電気化学的に活性なカソード材料の含有量で除算することができる。電池１０の電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量（グラム）の比率は、約０．２より大きくてもよい。電池１０の電気化学的に活性なカソード材料の含有量（モル）に対する酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量（モル）の比率は、約０．２より大きくてもよい。
【0063】
電池１０は、酸抽出可能なカリウムの含有量に対する水抽出可能なカリウムの含有量の比率を有することができる。水抽出可能なカリウムの含有量および酸抽出可能なカリウムの含有量は、グラムまたはモルで測定することができる。水抽出可能なカリウムの含有量は、酸抽出可能なカリウムの含有量に対する水抽出可能なカリウムの含有量の比率を決定するために、酸抽出可能なカリウムの含有量で除算することができる。電池１０の酸抽出可能なカリウムの含有量（グラム）に対する水抽出可能なカリウムの含有量（グラム）の比率は、約０．９未満でもよい。電池１０の酸抽出可能なカリウムの含有量（グラム）に対する水抽出可能なカリウムの含有量（グラム）の比率は、約０．４５から約０．７５でもよい。電池１０の酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量（モル）に対する水抽出可能な水酸化カリウムの含有量（モル）の比率は、約０．９未満でもよい．
電池１０は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する総含水量の比率を有することができる。総含水量および電気化学的に活性なカソード材料の含有量は、グラムまたはモルで測定することができる。総含水量は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する総含水量の比率を決定するために、電気化学的に活性なカソード材料の含有量で除算することができる。電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する総含水量（グラム）の比率は、約０．２５より大きくてもよい。電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する総含水量（グラム）の比率は、約０．２７から約０．３５でもよい。電気化学的に活性なカソード材料の含有量（モル）に対する総含水量（モル）の比率は、約１．７より大きくてもよい。
電池１０は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する総含水量の比率を有することができる。総含水量および電気化学的に活性なカソード材料の含有量は、グラムまたはモルで測定することができる。総含水量は、電気化学的に活性なカソード材料の含有量に対する総含水量の比率を決定するために、電気化学的に活性なカソード材料の含有量で除算することができる。電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する総含水量（グラム）の比率は、約０．２５より大きくてもよい。電気化学的に活性なカソード材料の含有量（グラム）に対する総含水量（グラム）の比率は、約０．２７から約０．３５でもよい。電気化学的に活性なカソード材料の含有量（モル）に対する総含水量（モル）の比率は、約１．７より大きくてもよい。
【0064】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む本発明の電池は、例えば、従来型のアルカリ電池よりも向上した、低率、中率、および高率のドレイン放電に関する放電性能を有することができる。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む本発明の電池は、例えば、従来型のアルカリ電池よりも高い開路電圧を有してもよい。
【0065】
図２を参照すると、いくつかのサンプル材料のＸＲＤパターンが示されている。図２には、本発明のベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル（Ｌｉ０．０６Ｋ０．１２ＮｉＯ２・０．５３・Ｈ２Ｏ）の例示的なＸＲＤパターン１１０が含まれている。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの例示的なＸＲＤパターン１１０は、約１５．６°２θでの第１のピーク（１１１）、約２１．９°２θでの第２のピーク（１１２）、約３７．３°２θでの第３のピーク（１１３）、約４３．６°２θでの第４のピーク（１１４）、約５９．９°２θでの第５のピーク（１１５）、および約６５．８°２θでの第６のピーク（１１６）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルの例示的なＸＲＤパターン１１０は、約１１．２°２θでの第７のピーク（１１７）、約４７．３°２θでの第８のピーク（１１８）、および約４８．３°２θでの第９のピーク（１１９）も含む。
【0066】
図２を更に参照すると、ガンマオキシ水酸化ニッケル（γ－ＮｉＯＯＨ）の例示的なＸＲＤパターン１２０が示されている。ガンマオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターン１２０は、約１２．８°２θでの第１のピーク（１２１）、約２５．５°２θでの第２のピーク（１２２）、約３７．８°２θでの第３のピーク（１２３）、約４２．９°２θでの第４のピーク（１２４）、約６６．３°２θでの第５のピーク（１２５）、および約６７．７°２θでの第６のピーク（１２６）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、ガンマオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンとは異なる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１５．６°２θでのピーク（１１１）、約２１．９°２θでのピーク（１１２）、および約５９．９°２θでのピーク（１１５）を含む。ガンマオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。加えて、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１１．２°２θでのピーク（１１７）、約４７．３°２θでのピーク（１１８）、および約４８．３°２θでのピーク（１１９）を含む。ガンマオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。
【0067】
図２を更に参照すると、アルファ脱リチウム層状酸化ニッケル（Ｌｉ０．０６ＮｉＯ２）の例示的なＸＲＤパターン１３０が示されている。アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルの例示的なＸＲＤパターン１３０は、約１８．５°２θでの第１のピーク（１３１）、約３７．２°２θでの第２のピーク（１３２）、約３８．８°２θでの第３のピーク（１３３）、約４４．９°２θでの第４のピーク（１３４）、約５８．６°２θでの第５のピーク（１３５）、および約６４．１°２θでの第６のピーク（１３６）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンとは異なる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１５．６°２θでのピーク（１１１）、約２１．９°２θでのピーク（１１２）、および約４３．６°２θでのピーク（１１４）を含む。アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。加えて、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１１．２°２θでのピーク（１１７）を含む。アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。
【0068】
図２を更に参照すると、酸化ニッケル（ＮｉＯ）の例示的なＸＲＤパターン１４０が示されている。酸化ニッケルのＸＲＤパターン１４０は、約３７．２°２θでの第１のピーク（１４１）、約４３．３°２θでの第２のピーク（１４２）、および約６２．９°２θでの第３のピーク（１４３）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、酸化ニッケルのＸＲＤパターンとは異なる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１５．６°２θでのピーク（１１１）、約２１．９°２θでのピーク（１１２）、約５９．９°２θでのピーク（１１５）、および約６５．８°２θでのピーク（１１６）を含む。酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。加えて、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１１．２°２θでのピーク（１１７）、約４７．３°２θでのピーク（１１８）、および約４８．３°２θでのピーク（１１９）を含む。酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。
【0069】
図２を更に参照すると、ベータ水酸化ニッケル（β－Ｎｉ（ＯＨ）２）の例示的なＸＲＤパターン１５０が示されている。ベータ水酸化ニッケルのＸＲＤパターン１５０は、約１９．２°２θでの第１のピーク（１５１）、約３３．１°２θでの第２のピーク（１５２）、約３８．５°２θでの第３のピーク（１５３）、約５２．２°２θでの第４のピーク（１５４）、約５９．２°２θでの第５のピーク（１５５）、および約６２．８°２θでの第６のピーク（１５６）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、ベータ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンとは異なる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１５．６°２θでのピーク（１１１）、約２１．９°２θでのピーク（１１２）、約４３．６°２θでのピーク（１１４）、および約６５．８°２θでのピーク（１１６）を含む。ベータ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。加えて、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１１．２°２θでのピーク（１１７）、約４７．３°２θでのピーク（１１８）、および約４８．３°２θでのピーク（１１９）を含む。ベータ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。
【0070】
図２を更に参照すると、ベータオキシ水酸化ニッケル（β－ＮｉＯＯＨ）の例示的なＸＲＤパターン１６０が示されている。ベータオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターン１６０は、約１９．１°２θでの第１のピーク（１６１）および約３７．９°２θでの第２のピーク（１６２）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、ベータオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンとは異なる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１５．６°２θでのピーク（１１１）、約２１．９°２θでのピーク（１１２）、約４３．６°２θでのピーク（１１４）、約５９．９°２θでのピーク（１１５）、および約６５．８°２θでのピーク（１１６）を含む。ベータオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。加えて、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１１．２°２θでのピーク（１１７）、約４７．３°２θでのピーク（１１８）、および約４８．３°２θでのピーク（１１９）を含む。ベータオキシ水酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。
【0071】
図２を更に参照すると、水酸化カリウム（ＫＯＨ）の例示的なＸＲＤパターン１７０が示されている。水酸化カリウムのＸＲＤパターン１７０は、約２２．１°２θでの第１のピーク（１７１）、約２８．４°２θでの第２のピーク（１７２）、約３０．５°２θでの第３のピーク（１７３）、約３３．３°２θでの第４のピーク（１７４）、約３９．１°２θでの第５のピーク（１７５）、および約４５．８°２θでの第６のピーク（１７６）を含む。ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、水酸化カリウムのＸＲＤパターンとは異なる。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１５．６°２θでのピーク（１１１）、約３７．３°２θでのピーク（１１３）、約４３．６°２θでのピーク（１１４）、約５９．９°２θでのピーク（１１５）、および約６５．８°２θでのピーク（１１６）を含む。水酸化カリウムのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。加えて、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターンは、特に、ＸＲＤパターン内の特異なピーク、すなわち、約１１．２°２θでのピーク（１１７）を含む。水酸化カリウムのＸＲＤパターンは、そのようなピークを含まない。
【0072】
図２を更に参照すると、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルのＸＲＤパターン１１０、アルファ脱リチウム層状酸化ニッケルのＸＲＤパターン１３０、酸化ニッケルのＸＲＤパターン１４０、ベータ水酸化ニッケルのＸＲＤパターン１５０、および水酸化カリウムのＸＲＤパターン１７０は、ＮＩＳＴ ６４０ｄ標準シリコンを示す約２８．５°２θでのピーク（１０１）を含む。標準シリコンは、２θ回折角較正のために使用される。
【0073】
図３を参照すると、例えば、電池３１０の電圧、容量、充電状態、および／または電力を決定するために、ラベル３２０内に組み込まれたインジケータすなわちテスター３３０を有するラベル３２０を有する、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性なカソード材料を含む電池３１０が示されている。ラベル３２０は、ラベルの図表および文字が記載された透明層または半透明層を有する積層された多層フィルムでもよい。ラベル３２０は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、および他の同様なポリマー材料から作られてもよい。テスター３３０は、例えば、熱変色性または電気変色性のインジケータを含んでもよい。熱変色性の電池テスターでは、電池３１０の筐体およびエンドキャップとの電気接触状態にインジケータを置くことができる。消費者は、テスター３３０内に含まれた電気回路内に配置されたスイッチを手動で押すことによりインジケータを作動させる。スイッチを押すと、消費者は、熱変色性テスターにより筐体を介して、電池３１０のアノードをエンドキャップを介して電池３１０のカソードに接続する。熱変色性テスターは、導体の抵抗も長さに沿って変化するように、可変の幅を有する銀導体を含むことができる。電流は、電流が銀導体中を流れると、銀導体の上の熱変色性インクの表示色を変化させる熱を発生させる。テスター３３０は、例えば、電池３１０の相対容量を示す計器として配置することができる。電流が大きくなると、より多くの熱が発生し、計器は、電池３１０が良好であることをより多く示すように変化する。
【0074】
実験的試験
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析
サンプル材料の元素組成を決定するために、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のサンプルに関するＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析が完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、堀場製作所のＵｌｔｉｍａ ２ ＩＣＰ分光計により完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、分光計内にサンプル溶液を置くことにより完了される。サンプル溶液は、分析される所望の元素（１つまたは複数）に応じた方法で用意される。
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析
サンプル材料の元素組成を決定するために、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のサンプルに関するＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析が完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、堀場製作所のＵｌｔｉｍａ ２ ＩＣＰ分光計により完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、分光計内にサンプル溶液を置くことにより完了される。サンプル溶液は、分析される所望の元素（１つまたは複数）に応じた方法で用意される。
【0075】
元素分析の場合、凡そ０．１５グラムのサンプル材料を約２０ｍＬの硝酸（ＨＮＯ３）の８規定（８Ｎ）溶液に加えることによって、第１の溶液が作られる。第１の溶液は、殆ど全ての液体が蒸発するまで約２１０℃で加熱される。第１の溶液は、次いで、１００℃から約１５０℃の間に冷まされる。第１の溶液が冷まされた後に、約１０ｍＬの濃縮塩酸（ＨＣｌ）を第１の溶液に加えることによって、第２の溶液が形成される。第２の溶液は、ほぼ全ての液体が蒸発するまで約２１０℃で加熱される。第２の溶液は、次いで冷まされる。第２の溶液が約１００℃と約１５０℃の間に冷まされた後に、約１０ｍＬの濃縮ＨＣｌを第２の溶液に加えることによって、第３の溶液が形成される。第３の溶液は、ほぼ全ての液体が蒸発するまで約２１０℃で加熱される。第３の溶液は、次いで、１時間にわたり約１１０℃でオーブン内に置かれる。オーブン内に保管した後、第３の溶液は冷まされる。５ｍＬの濃縮ＨＣｌを第３の溶液に加えることによって、第４の溶液が形成される。第４の溶液は、サンプル材料が第４の溶液中に溶けるまで約２１０℃まで加熱される。第４の溶液は冷まされる。第４の溶液を１００ｍＬ容量フラスコに移し、容量フラスコの１００ｍＬ目盛線まで蒸留水を第４の溶液に加えることによって、第５の溶液が形成される。第５の溶液は、ＩＣＰ－ＡＥＳ分光計を使用した、リチウム（Ｌｉ）、カリウム（Ｋ）、およびルビジウム（Ｒｂ）の元素分析に使用される。１ｍＬの第５の溶液を５０ｍＬ遠心分離管に移し、約２．５ｍＬの濃縮ＨＣｌを遠心分離管に加え、第６の溶液の総重量が５０グラムとなるように蒸留水を遠心分離管に加え、遠心分離管の成分を混合することによって、第６の溶液が形成される。第６の溶液は、ＩＣＰ－ＡＥＳ分光計を使用した、ニッケル（Ｎｉ）の元素分析に使用される。
【0076】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびルビジウム（Ｒｂ）に特有な種々の波長で実行される。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のカリウム（Ｋ）の分析波長（λ）は、約７６６ｎｍに設定されてもよい。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のリチウム（Ｌｉ）の分析波長（λ）は、約６１０ｎｍに設定されてもよい。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のニッケル（Ｎｉ）の分析波長（λ）は、約２３１ｎｍに設定されてもよい。例えば、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル中のルビジウム（Ｒｂ）の分析波長（λ）は、約７８０ｎｍに設定されてもよい。
【0077】
以下の表１には、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料に関するＩＣＰ－ＡＥＳ結果による元素分析が含まれる。サンプル材料中のリチウム（Ｌｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびカリウム（Ｋ）の重量パーセントが記録される。ＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析データは、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料の化学組成を決定するために使用される。ＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析は、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料が、その化学組成中に望ましくない副産物または分解生成物を有していないことを確認するためにも使用される。
【0078】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料の熱重量分析（ＴＧＡ）による含水量
サンプル材料中の吸収水／吸着水、結晶水、および総含水量を決定するために、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のサンプルに関するＴＧＡによる含水量が完了される。ＴＧＡ分析は、ＴＡ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＱ５０００分析器を使用して完了される。
サンプル材料中の吸収水／吸着水、結晶水、および総含水量を決定するために、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のサンプルに関するＴＧＡによる含水量が完了される。ＴＧＡ分析は、ＴＡ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＱ５０００分析器を使用して完了される。
【0079】
ＴＧＡ分析は、約３４ｍｇのサンプルをＴＧＡサンプルホルダ上に置くことにより行われる。サンプル材料は、５℃／分で約８００℃の温度まで加熱される。
【0080】
サンプルは、例えば、約２５ｍＬ／分の流量で流れる窒素の存在下で加熱される。サンプル重量は、時間および温度の関数として測定される。
【0081】
表１には、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料に関するＴＧＡにより測定された含水量が含まれる。ＴＧＡにより測定された含水量は、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料の化学組成中に存在する構造格子水を決定するために使用される。ＴＧＡにより測定された含水量は、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料の表面に吸着された水を決定するため、およびその組成中に余剰水が存在しないことを確認するためにも使用される。
【表1】
【0082】
粉末Ｘ線回折分析
粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析は、結晶性粉末サンプルの特徴的なＸＲＤ回折パターンを決定するために結晶性粉末サンプルに関して実行される。ＸＲＤ分析は、Ｂｒｕｋｅｒ Ｄ－８ Ａｄｖａｎｃｅ Ｘ線回折計を使用して完了される。ＸＲＤ分析は、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料およびいくつかの比較サンプルに関して実行される。Ｂｒｕｋｅｒサンプルホルダ内に約１グラム～約２グラムのサンプル材料が置かれる。サンプル材料を含むサンプルホルダは、次いで、Ｘ線回折計の回転サンプルステージ内に置かれ、サンプル材料は、次いで回折計のＣｕＫａＸ線源により照射される。回折したＸ線は、Ｂａｌｔｉｃ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｒｉｇａ、ラトビア国）から入手可能なＳｏｌ－Ｘ検出器により測定される。各サンプルのＸＲＤパターンは、次いで、Ｂｒｕｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給されるＤｉｆｆｒａｃ－ｐｌｕｓソフトウェアを使用して、１０°２θから８０°２θまで２秒／ステップで０．０２°ステップサイズにより収集される。サンプル材料のＸＲＤパターンは、次いで、いずれもＢｒｕｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＥＶＡおよびＴｏｐａｓデータ分析ソフトウェアパッケージを使用して分析される。サンプル材料のＸＲＤパターンは、既知の材料について測定された基準ＸＲＤパターンと比較される。
粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析は、結晶性粉末サンプルの特徴的なＸＲＤ回折パターンを決定するために結晶性粉末サンプルに関して実行される。ＸＲＤ分析は、Ｂｒｕｋｅｒ Ｄ－８ Ａｄｖａｎｃｅ Ｘ線回折計を使用して完了される。ＸＲＤ分析は、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料およびいくつかの比較サンプルに関して実行される。Ｂｒｕｋｅｒサンプルホルダ内に約１グラム～約２グラムのサンプル材料が置かれる。サンプル材料を含むサンプルホルダは、次いで、Ｘ線回折計の回転サンプルステージ内に置かれ、サンプル材料は、次いで回折計のＣｕＫａＸ線源により照射される。回折したＸ線は、Ｂａｌｔｉｃ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｒｉｇａ、ラトビア国）から入手可能なＳｏｌ－Ｘ検出器により測定される。各サンプルのＸＲＤパターンは、次いで、Ｂｒｕｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより供給されるＤｉｆｆｒａｃ－ｐｌｕｓソフトウェアを使用して、１０°２θから８０°２θまで２秒／ステップで０．０２°ステップサイズにより収集される。サンプル材料のＸＲＤパターンは、次いで、いずれもＢｒｕｋｅｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＥＶＡおよびＴｏｐａｓデータ分析ソフトウェアパッケージを使用して分析される。サンプル材料のＸＲＤパターンは、既知の材料について測定された基準ＸＲＤパターンと比較される。
【0083】
表２は、分析されたサンプル材料および既知の材料ならびに各材料のＸＲＤパターン中の特徴的なピークをまとめている。
【表2】
【0084】
ＡＡアルカリ一次電池アセンブリ
以下の表３では電池Ａと称する、従来型のＡＡアルカリ電池が組み立てられる。電池Ａは、円筒筐体内のアノード、カソード、セパレータ、および水系アルカリ電解質を含む。アノードは、４．２７グラムの亜鉛、水に溶けた約３１重量％のＫＯＨおよび２．０重量％のＺｎＯを有する１．７８グラムの水酸化カリウムアルカリ電解質、０．０２６グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．０２３グラムの腐食防止剤を含むアノードスラリを含む。カソードは、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、黒鉛、および水酸化カリウム水系電解溶液の混合物を含む。カソードは、１０．８７グラムのＥＭＤ、０．４６グラムのＴｉｍｃａｌ ＭＸ－１５黒鉛、０．１２グラムのＴｉｍｃａｌ ＢＮＢ－９０、および０．５２グラムの電解質から成るローディングを含む。アノードとカソードの間にはセパレータが介在する。セパレータは、水に溶けた約３１重量％のＫＯＨを有する約１．３３グラムの水酸化カリウムアルカリ電解溶液の事前注入で湿潤される。アノード、カソード、およびセパレータは、円筒筐体に挿入される。筐体は、次いで、電池組立プロセスを完了するためにシールされる。電池Ａは、次いで、以下に記述するような組立後電池分析、熟成、および性能試験を受ける。
以下の表３では電池Ａと称する、従来型のＡＡアルカリ電池が組み立てられる。電池Ａは、円筒筐体内のアノード、カソード、セパレータ、および水系アルカリ電解質を含む。アノードは、４．２７グラムの亜鉛、水に溶けた約３１重量％のＫＯＨおよび２．０重量％のＺｎＯを有する１．７８グラムの水酸化カリウムアルカリ電解質、０．０２６グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．０２３グラムの腐食防止剤を含むアノードスラリを含む。カソードは、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）、黒鉛、および水酸化カリウム水系電解溶液の混合物を含む。カソードは、１０．８７グラムのＥＭＤ、０．４６グラムのＴｉｍｃａｌ ＭＸ－１５黒鉛、０．１２グラムのＴｉｍｃａｌ ＢＮＢ－９０、および０．５２グラムの電解質から成るローディングを含む。アノードとカソードの間にはセパレータが介在する。セパレータは、水に溶けた約３１重量％のＫＯＨを有する約１．３３グラムの水酸化カリウムアルカリ電解溶液の事前注入で湿潤される。アノード、カソード、およびセパレータは、円筒筐体に挿入される。筐体は、次いで、電池組立プロセスを完了するためにシールされる。電池Ａは、次いで、以下に記述するような組立後電池分析、熟成、および性能試験を受ける。
【0085】
以下の表３では電池Ｂと称する、実験的ＡＡ電池が組み立てられる。電池Ｂは、円筒筐体内のアノード、カソード、セパレータ、および電解質を含む。アノードは、５．１７グラムの亜鉛、水に溶けた約２７重量％のＫＯＨおよび１．７重量％のＺｎＯを有する２．１７グラムの水酸化カリウムアルカリ電解質、０．０３８グラムのポリアクリル酸ゲル化剤、および０．０１グラムの腐食防止剤を含むアノードスラリを含む。カソードは、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル、黒鉛、および水酸化カリウム水系電解溶液の混合物を含む。カソードは、９．５４グラムのベータ脱リチウム化層状酸化ニッケル、０．７８グラムのＴｉｍｃａｌ ＭＸ－１５黒鉛、および０．５２グラムの電解質から成るローディングを含む。アノードとカソードの間にはセパレータが介在する。セパレータは、水に溶けた約５．５重量％のＫＯＨを有する約１．００グラムの水酸化カリウムアルカリ電解溶液の事前注入で湿潤される。アノード、カソード、およびセパレータは、円筒筐体に挿入される。筐体は、次いで、電池組立プロセスを完了するためにシールされる。電池Ｂは、次いで、以下で記述するような組立後電池分析、熟成、および性能試験を受ける。
【表3】
【0086】
組立後ＡＡアルカリ一次電池の分析
ＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析は、電池の水抽出可能なカリウムの含有量を決定するために水洗浄液に関して完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、堀場製作所のＵｌｔｉｍａ ２ ＩＣＰ分光計を使用して完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、分光計内にサンプル溶液を置くことにより完了される。
ＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析は、電池の水抽出可能なカリウムの含有量を決定するために水洗浄液に関して完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、堀場製作所のＵｌｔｉｍａ ２ ＩＣＰ分光計を使用して完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、分光計内にサンプル溶液を置くことにより完了される。
【0087】
放電していない電池から取り外された、アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリから、ＩＣＰ－ＡＥＳ分析用のサンプル溶液が用意される。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリを取り外す前に、電池は、約５分から１０分の間、液体窒素を収容するＤｅｗａｒフラスコ内に完全に沈められる。この工程は、電池内の全ての液体電解質が凝固することを確実にする。電池は、例えば、Ｄｒｅｍｅｌツールで、切開される。エンドキャップアセンブリは、電池から取り外される。電池の金属筐体は、引き剥がされる。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、次いで電池から取り外される。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、電池から慎重に取り外されなければならない。分析結果が有害な影響を受けないように、アノードとカソードの不慮の短絡を防止しなければならない。加えて、電池内に存在する全てのカリウムを正確に考慮するために、分解プロセス中の電解溶液のロスを最小化する必要がある。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、別々の、自重が測られた遠心分離管内に置くことができる。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリを含む遠心分離管は、それぞれ凡そ２２℃まで温められる。各遠心分離管には、次いで、凡そ４０ｍＬの脱イオン水が加えられる。遠心分離管は、次いで、再計量されシールされる。シールされた遠心分離管は、次いで、アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリそれぞれから可溶性の任意のカリウムを抽出するために、約２２℃で２４時間、振り混ぜられる。遠心分離管は、次いで、遠心分離機内に置かれ、各遠心分離管内の固体分と液体分を分離するために回転される。透明な上澄液が、次いで遠心分離管から取り除かれる。各サンプル中のカリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定される。ＩＣＰ－ＡＥＳ法は、カリウムに関して上述した、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析の場合と同じである。電池内の水抽出可能なカリウムの含有量は、以下の合計である。（１）アノード／セパレータアセンブリを含む遠心分離管の浮遊物中のカリウム含有量、および（２）カソードアセンブリを含む遠心分離管の浮遊物中のカリウム含有量。以下の表４には、電池Ａおよび電池Ｂの水抽出可能なカリウムの含有量が含まれる。
【0088】
水抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された水抽出可能なカリウムの含有量および水酸化カリウム（ＫＯＨ）の式量から計算される。水酸化カリウム中には、水酸化物（ＯＨ）１モル当り１モルのカリウム（Ｋ）がある。ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された水抽出可能なカリウムの含有量（グラム）は、水抽出可能なカリウムのモル数を決定するためにカリウムの式量（３９．０９８３ｇ／モル）で除算される。水抽出可能な水酸化カリウムの重量（グラム）を得るために、水抽出可能なカリウムのモルは、水酸化カリウムの式量（５６．１０５６ｇ／モル）で乗算される。以下の表４には、電池Ａおよび電池Ｂの水抽出可能な水酸化カリウムの含有量が含まれる。
【0089】
ＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析は、電池の酸抽出可能なカリウムの含有量を決定するために酸抽出溶液に関して完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、堀場製作所のＵｌｔｉｍａ ２ ＩＣＰ分光計により完了される。ＩＣＰ－ＡＥＳ分析は、分光計内にサンプル溶液を置くことにより完了される。
【0090】
約１．０ボルト未満の開路電圧まで放電した電池から取り外された、アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリから、ＩＣＰ－ＡＥＳ分析のサンプルが用意される。放電した電池は、例えば、Ｄｒｅｍｅｌツールで、切開される。エンドキャップアセンブリは、次いで取り外される。放電した電池の金属筐体は、引き剥がされる。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、次いで金属筐体から取り外される。アセンブリは、次いで２５０ｍＬ容量フラスコに移される。アセンブリを含む容量フラスコには、次いで、約１２５ｍＬの６Ｍ硫酸が、ゆっくりと加えられる。フラスコは、次いで被覆され、約４０℃の温度で凡そ２時間、撹拌される。フラスコは、次いで約４５℃から約６０℃の温度で更に８から１０時間、撹拌される。アセンブリおよび初期の硫酸を含む容量フラスコには、次いで、凡そ１００ｍＬの硫酸が加えられる。フラスコは、次いで約４５℃から約６０℃の温度で更に８から１０時間、撹拌される。フラスコは、次いで約２２℃の温度まで冷まされる。容量フラスコには、容量フラスコ内の固体および液体の総体積が約２５０ｍＬとなるように、次いで更なる硫酸が加えられる。容量フラスコ内の固体は、次いで、少なくとも約１時間、沈降される。上澄み液は、次いで容量フラスコから取り除かれ、遠心分離管（１つまたは複数）内に置かれる。遠心分離管（１つまたは複数）は、次いでシールされ、次いで遠心分離機内に置かれる。遠心分離管（１つまたは複数）は、次いで、遠心分離管内の浮遊固体分と懸濁液分を分離するために回転される。澄んだ上澄液は、次いで遠心分離管（１つまたは複数）から取り除かれる。各サンプル中のカリウム含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定される。ＩＣＰ－ＡＥＳ法は、カリウムに関して上述した、ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルである電気化学的に活性な材料のＩＣＰ－ＡＥＳによる元素分析の場合と同じである。電池内の酸抽出可能なカリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定される、溶液中のカリウム含有量である。以下の表４には、電池Ａおよび電池Ｂの酸抽出可能なカリウムの含有量が含まれる。
【0091】
酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量は、ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された酸抽出可能なカリウムの含有量および水酸化カリウム（ＫＯＨ）の式量から計算される。水酸化カリウム中には、水酸化物（ＯＨ）１モル当り１モルのカリウム（Ｋ）がある。ＩＣＰ－ＡＥＳにより決定された酸抽出可能なカリウムの含有量（グラム）は、酸抽出可能なカリウムのモル数を決定するためにカリウムの式量（３９．０９８３ｇ／モル）で除算される。酸抽出可能な水酸化カリウムの重量（グラム）を得るために、酸抽出可能なカリウムのモルは、水酸化カリウムの式量（５６．１０５６ｇ／モル）で乗算される。以下の表４には、電池Ａおよび電池Ｂの酸抽出可能な水酸化カリウムの含有量が含まれる。
【0092】
放電していない電池の総含水量を決定するために、アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリに関する重量変化測定が完了される。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリを取り外す前に、電池は、約５分から１０分の間、液体窒素を収容するＤｅｗａｒフラスコ内に完全に沈められる。この工程は、電池内の全ての液体電解質が凝固することを確実にする。電池から取り外された、アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリから重量変化測定用のサンプルが用意される。電池は、例えば、Ｄｒｅｍｅｌツールで、切開されてもよい。電池の金属筐体は、引き剥がされてもよい。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、次いで電池から取り外されてもよい。アノード／セパレータアセンブリおよびカソードアセンブリは、別々の、自重が測られたアルミニウム舟形計量容器内に置かれてもよい。それらの含有物を含むそれぞれの舟形計量容器は、次いで再計量される。それらの含有物を有する舟形計量容器は、次いで約２２℃の箱型オーブン内に置かれる。箱型オーブンの温度は、約１７５℃に達するまで毎分約２℃の割合で増加する。舟形計量容器およびそれらの含有物は、約１７５℃で約８から１０時間、箱型オーブン内に保持される。箱型オーブンは、次いで約２２℃まで冷まされる。それらの含有物を含む各舟形計量容器は、次いで再計量される。電池１０の総含水量は、以下の合計である。（１）アノード／セパレータアセンブリの重量ロスおよび（２）カソードアセンブリの重量ロス。以下の表４には、電池Ａおよび電池Ｂの総含水量が含まれている。
【表4】
【0093】
組立後ＡＡアルカリ一次電池の性能試験
性能試験の前に、電池は、約２０℃で４日間熟成される。４日間の熟成の後、電池の開路電圧（ＯＣＶ）が測定される。電池のＯＣＶは、例えば、電池の正端子と負端子の間に電圧計を置くことにより測定される。電池の測定された開路電圧（Ｖ）は記録される。ＯＣＶ試験は、電池の容量を消費しない。
性能試験の前に、電池は、約２０℃で４日間熟成される。４日間の熟成の後、電池の開路電圧（ＯＣＶ）が測定される。電池のＯＣＶは、例えば、電池の正端子と負端子の間に電圧計を置くことにより測定される。電池の測定された開路電圧（Ｖ）は記録される。ＯＣＶ試験は、電池の容量を消費しない。
【0094】
４日間の熟成の後、電池の短絡電流（ＳＣＣ）が測定される。ＳＣＣプロトコルは、電池から６アンペア（Ａｍｐ）の一定電流を０．１秒間流すことを含む。電池の電圧は、６Ａｍｐのドレイン下で測定され、記録される。電池は、完全に短絡した場合に、ゼロ（０）ボルトの測定電圧を有する。電池が短絡する電流は、測定されたＯＣＶの座標とドレイン下で測定された電圧の座標との間の線を、電流対電圧のｘ、ｙプロット上のｘ軸の交点まで外挿することにより計算される。測定されたＯＣＶは、（０Ａｍｐ，ＯＣＶ）の（ｘ，ｙ）座標を有する。ドレイン下で測定された電圧は、（６Ａｍｐ，負荷電圧）の（ｘ，ｙ）座標を有する。ＳＳＣ試験は、極めて短期間であるため、電池の容量を著しくは消費しない。ＳＳＣは、以下の数式により計算される
ＳＳＣ（Ａｍｐ）＝［（ＯＣＶ－６Ａｍｐ）／（ＯＣＶ－負荷電圧）］
性能試験は、３０ミリアンペア連続放電試験（３０ｍＡ連続）と称する場合がある放電性能試験を含む。３０ｍＡ連続プロトコルは、０．９ボルトの臨界電圧に達するまで電池から３０ｍＡの一定電流ドレインを流すことを含む。電池の測定された総容量は、アンペア時（Ａｈ）およびワット時（Ｗｈ）で記録される。３０ｍＡ連続放電試験は低率放電試験である。
ＳＳＣ（Ａｍｐ）＝［（ＯＣＶ－６Ａｍｐ）／（ＯＣＶ－負荷電圧）］
性能試験は、３０ミリアンペア連続放電試験（３０ｍＡ連続）と称する場合がある放電性能試験を含む。３０ｍＡ連続プロトコルは、０．９ボルトの臨界電圧に達するまで電池から３０ｍＡの一定電流ドレインを流すことを含む。電池の測定された総容量は、アンペア時（Ａｈ）およびワット時（Ｗｈ）で記録される。３０ｍＡ連続放電試験は低率放電試験である。
【0095】
性能試験は、１ワット連続放電試験（１Ｗ連続）と称する場合がある高率連続放電状態での放電性能試験を含む。１Ｗ連続試験プロトコルは、０．９ボルトの臨界電圧に達するまで電池から１ワットの一定電力ドレインを流すことを含む。電池の測定された容量は、アンペア時（Ａｈ）およびワット時（Ｗｈ）で記録される。１Ｗ連続放電試験は高率放電試験である。
【0096】
性能試験は、２５０ミリワット間欠放電試験（２５０ｍＷ間欠）と称する場合がある中率間欠放電状態での放電性能試験を含む。２５０ｍＷ間欠試験プロトコルは、電池から２５０ミリワットの一定電力ドレインを１時間流すことを含む。放電は次いで中止され、電池は７時間休止される。電池は、次いで更なる期間放電され、０．９ボルトの臨界電圧に達するまで休止される。電池の測定された容量は、アンペア時（Ａｈ）およびワット時（Ｗｈ）で記録される。２５０ｍＷ間欠放電試験は中率間欠放電試験である。
【0097】
性能試験は、デジタルカメラにおける使用をシミュレートするように設計された、デジタルカメラ試験（Ｄｉｇｉｃａｍ）と称する場合がある放電性能試験を含む。デジタルカメラ試験は、高電力と中電力のパルス化された放電サイクルを電池に加えることを含むパルス試験プロトコルである。各サイクルは、２秒間の１．５ワット高電力パルスと、その直後に続く２８秒間の６５０ｍＷ中電力パルスとを含む２つの放電状態の組合せから成る。放電状態のこの組合せは１０回（すなわち、合計５分）繰り返され、次いで、電池は５５分間休止される。放電パルスと休止期間の組合せサイクル（すなわち、１時間／サイクル）は、１．０５ボルトの臨界電圧に達するまで繰り返される。臨界電圧に達するのに必要とされるサイクル数は、パルスまたは画像として記録される。記録されたパルス数は、放電サイクルの総数に対応する、１．５ワット高電力パルスの総数から成る。Ｄｉｇｉｃａｍ放電試験は高率放電試験である。
【0098】
性能試験結果
電池Ａおよび電池Ｂは、ＯＣＶ試験、ＳＳＣ試験、３０ｍＡ連続試験、１Ｗ連続試験、２５０ｍＷ間欠試験、およびＤｉｇｉｃａｍ性能試験を受ける。以下の表５は、性能試験結果をまとめている。表５の％差の列は、電池Ａに対する電池Ｂの性能の百分率差を含む。
電池Ａおよび電池Ｂは、ＯＣＶ試験、ＳＳＣ試験、３０ｍＡ連続試験、１Ｗ連続試験、２５０ｍＷ間欠試験、およびＤｉｇｉｃａｍ性能試験を受ける。以下の表５は、性能試験結果をまとめている。表５の％差の列は、電池Ａに対する電池Ｂの性能の百分率差を含む。
【0099】
ベータ脱リチウム化層状酸化ニッケルを含む電池Ｂは、一般的な市販アルカリ電池である電池Ａと比べて全体性能が向上される。電池ＢのＯＣＶは、電池Ａと比べて高い。電池Ｂの高いＯＣＶは、電池Ａよりも高い総エネルギーを示している。電池ＢのＯＣＶは、電池Ｂが電気デバイスに組み込まれるときの損傷の可能性が比較的低くなるように、高すぎることはない。電池ＢのＳＳＣは、電池Ａよりも著しく多い。電池Ｂの大きなＳＳＣは、電池Ａよりも多くの放電電流を運ぶ能力を示している。１Ｗ連続試験を除く全ての放電試験の下で電池Ｂにより送られる電流の量（Ａｈ）は、電池Ａよりも多い。全ての放電試験の下で電池Ｂにより送られるエネルギーの量（Ｗｈ）は、電池Ａよりも多い。加えて、Ｄｉｇｉｃａｍ試験の下で電池Ｂにより送られるパルスの数は、電池Ａよりも非常に多い。結果は、低率、中率、および高率の放電状態に対して、電池Ｂが全般的に電池Ａよりも良好な性能を発揮することを示している。
【表5】
【0100】
本明細書に開示する寸法および値は、記載する精密な数値に厳密に限定されるものと理解されるべきではない。代わりに、特に指定しない限り、そのような各寸法は、記載する値と、その値を囲む機能的に等価な範囲との両方を意味することを意図している。例えば、「４０ｍｍ」として開示する寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することを意図している。
【0101】
本明細書において引用するそれぞれの文献は、任意の相互参照または関連特許もしくは関連出願および本出願がそれらの優先権または利益を主張する任意の特許出願または特許を含めて、明示的に除外したり、特に限定したりしない限り、その全体を参照することにより本明細書に組み込まれる。任意の文献の引用は、その文献が、本明細書において開示もしくは特許請求される任意の発明に関する先行技術であること、または単独もしくは他の１つもしくは複数の参考文献との組合せにより、そのような任意の発明を教示、示唆もしくは開示していることを認めるものではない。さらに、本文献中の用語の任意の意味または定義が、参照により組み込まれた文献中の同じ用語の任意の意味または定義と矛盾する限り、本文献においてその用語に割り当てられた意味または定義が適用されるべきである。
【0102】
本発明の具体的な実施形態を例示および記述してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の他の変更および修正を行うことができることは、当業者にとって自明であろう。したがって、添付の請求項は、本発明の範囲内にあるそのような全ての変更および修正をカバーすることを意図している。
【図1】
【図2】
【図3】