(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池を製造する方法であって、
第１の基板、および第２の基板を提供するステップと、
前記第１の基板に複数のカソード層を提供するステップと、
その少なくとも一部分が前記複数のカソード層のうちの隣接する２つのカソード層間に位置するアノード層を提供するステップと、
前記複数のカソード層および前記アノード層に接触する電解質層を提供するステップと、
前記第１の基板に中間スペーサ層としてフレームを提供して、前記電解質を収容する内側空間を形成し、かつ前記内側空間内に前記カソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分も収容するステップと、
前記中間スペーサ層を介して前記第２の基板を前記第１の基板に接続し、前記カソード層、前記アノード層、および前記電解質層を収容する前記内側空間を実質上封止するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記第１の基板および前記第２の基板のうちの少なくとも一方が、複数の層を有するウェブを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のカソード層のうちの前記隣接する２つのカソード層間に誘電体層を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記誘電体層が、前記隣接する２つのカソード層から等距離に位置する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記カソード層が、ヒドロキシエチルセルロースを含む結合剤を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フレームを、複数の積層を有するウェブを含む第３の基板として提供するステップをさらに含み、前記積層の少なくとも１つが感圧接着剤である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の基板の少なくとも一部を覆ってカソード・コレクタ層を提供するステップをさらに含み、
前記隣接する２つのカソード層は前記カソード・コレクタ層上に設けられ、
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が３以下になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が１になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の基板上に配置され、前記内側空間の周囲の境界を概して示すフレーム封止剤を提供するステップをさらに含み、前記フレーム封止剤が前記第１の基板と前記フレームの間に介在する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
（１）前記複数のカソード層と前記第１の基板の間のカソード・コレクタ層、および
（２）前記アノード層と前記第１の基板の間のアノード・コレクタ層の一方または両方を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池を製造する方法であって、
第１の側を含む第１の基板、および第２の基板を提供するステップであって、前記第１の基板および前記第２の基板のうちの少なくとも一方が、複数の層を有するウェブを含むステップと、
前記第１の基板の前記第１の側にカソード・コレクタ層を印刷するステップと、
前記カソード・コレクタ層上に誘電体層を提供するステップと、
前記カソード・コレクタ層上に複数のカソード層を印刷するステップと、
前記誘電体層上にアノード層を積層するステップと、
前記複数のカソード層に接触し、かつ前記アノード層にも接触する粘性液を含む電解質層を提供するステップと、
前記第１の基板の前記第１の側にフレームを提供して、前記電解質を収容する内側空間を形成し、かつ前記内側空間内に前記複数のカソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分も収容するステップと、
スペーサとして利用される第３のウェブを介して前記第２の基板を前記第１の基板に接続し、前記複数のカソード層、前記アノード層、および前記電解質層を収容する前記内側空間を実質上封止するステップと、を含む方法。
【請求項１２】
前記誘電体層が、前記カソード・コレクタ層上で、前記複数のカソード層のうちの少なくとも隣接する２つのカソード層間に設けられる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記誘電体層が、前記隣接する２つのカソード層から等距離に位置する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が３以下になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第３のウェブを、複数の積層を含む第３の基板として提供するステップをさらに含み、前記積層の少なくとも１つが感圧接着剤である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池であって、
第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板に設けられるカソード・コレクタ層と、
前記カソード・コレクタ層上に設けられる複数のカソード層と、
前記カソード・コレクタ層上で、前記複数のカソード層のうちの少なくとも隣接する２つのカソード層間に設けられる誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられ、前記誘電体層によって前記カソード・コレクタ層から絶縁されるアノード層と、
前記複数のカソード層および前記アノード層に接触する電解質層と、
前記第１の基板および前記第２の基板間に介在して、前記第１の基板を前記第２の基板に接続して封止し、前記電解質を収容する内側空間を形成し、また前記内側空間内に前記複数のカソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分を収容するフレームと、を含む電池。
【請求項１７】
前記誘電体層が、前記隣接する２つのカソード層から等距離に位置する、請求項１６に記載の電池。
【請求項１８】
前記アノード層が、前記隣接する２つのカソード層から等距離に位置する、請求項１７に記載の電池。
【請求項１９】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が３以下になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項１６に記載の電池。
【請求項２０】
前記複数のカソード層および前記アノード層のうちの一方だけが、乾燥または硬化させたインクから構成され、前記複数のカソード層および前記アノード層のうちの他方が、材料のストリップから構成される、請求項１６に記載の電池。
【請求項２１】
第１の基板と、
前記第１の基板上に設けられ、正方形の数が３以下になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含むカソード・コレクタ層と、
前記カソード・コレクタ層上に設けられる複数のカソード層と、
前記複数のカソード層のうちの隣接する２つのカソード層間に位置するアノード層と、
前記複数のカソード層および前記アノード層に接触する電解質層と、
前記カソード・コレクタ層上に設けられる誘電体層と、を含む電池であって、
前記アノード層が前記誘電体層上に設けられるとともに、
前記誘電体層は、前記隣接する２つのカソード層間に、前記隣接する２つのカソード層と共平面になるように設けられる、電池。
【請求項２２】
前記アノード層が、前記隣接する２つのカソード層から実質上等距離に位置する、請求項２１に記載の電池。
【請求項２３】
前記複数のカソード層が、共平面構成で配置される、請求項２１に記載の電池。
【請求項２４】
前記第１の基板と第２の基板の間に介在して、前記第１の基板を前記第２の基板に接続して封止し、前記電解質を収容する内側空間を形成し、また前記内側空間内に前記複数のカソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分を収容するフレームをさらに含む、請求項２１に記載の電池。
【請求項２５】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が１になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項２１に記載の電池。
【請求項２６】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が３以下になるような有効長さおよび有効幅を有する非直線の幾何形状を含む、請求項２１に記載の電池。
【請求項２７】
電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池であって、
第１の基板と、
前記第１の基板上に設けられるカソード・コレクタ層と、
前記カソード・コレクタ層上に設けられる複数のカソード層と、
前記複数のカソード層のうちの隣接する２つのカソード層間に位置し、かつ前記隣接する２つのカソード層と実質上共平面になるように位置するアノード層と、
前記複数のカソード層および前記アノード層に接触する電解質層と、
前記カソード・コレクタ層上に設けられる誘電体層と、を含む電池であって、
前記アノード層が前記誘電体層上に設けられる、電池。
【請求項２８】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が３以下になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項２７に記載の電池。
【請求項２９】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が１になるような長さおよび幅を有する幾何形状を含む、請求項２８に記載の電池。
【請求項３０】
前記カソード・コレクタ層が、正方形の数が３以下になるような有効長さおよび有効幅を有する非直線の幾何形状を含む、請求項２７に記載の電池。
【請求項３１】
前記複数のカソード層が、共平面構成で配置される、請求項２８に記載の電池。
【請求項３２】
前記第１の基板と第２の基板の間に介在して、前記第１の基板を前記第２の基板に接続して封止し、前記電解質を収容する内側空間を形成し、また前記内側空間内に前記複数のカソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分を収容するフレームをさらに含む、請求項２８に記載の電池。
【請求項３３】
前記アノード層が、感圧接着剤によって前記誘電体層上に貼り付けられる亜鉛箔を含む、請求項２８に記載の電池。
【請求項３４】
前記アノード層は、前記隣接する２つのカソード層から実質上等距離にある、請求項２７に記載の電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００７年１２月１９日出願の米国仮特許出願第６１／０１４，８２６号の利益を主張する。同出願の全体を、参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本出願は、一般に電気化学セルまたは電池に関する。より詳細には、ピクチャ・フレームのフィーチャを利用する平坦な薄型電気化学セル、および印刷方法を含むその製造方法に関する。さらに詳細には、本発明は、積層された２つのフィルム層間に２つ以上の電極、セパレータ、電解質、およびセル・フレームを含む印刷可能な薄型セル、ならびにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
この１００年またはそれぐらいの間、科学者らは、様々な用途のために、炭素／亜鉛の携帯型電源を作製してきた。携帯型電源の初期には、これらの電源は、現在の標準と比較すると非常に大きかった。たとえば、広く普及したＥｖｅｒｅａｄｙ製の「イグナイタ・セル（Ｉｇｎｉｔｏｒ  Ｃｅｌｌ）」は、直径が約３ｉｎ、高さが約９ｉｎであり、無線、ブザー、クリスマスの照明など多くの用途に使用された。いくつかの適用分野では、これらの大型のセル、ならびにＥｖｅｒｅａｄｙ社の著名な＃６（およそ直径２ｉｎ×高さ６ｉｎ）および当時の最小ユニット・セル＃９５０（Ｄサイズ）などのいくつかのより小さなバージョンは、通常、いくつかの用途では電圧が４０ボルトを超える電池パックとして作製された。これらはサイズが同様であり、現在の自動車用電池よりさらに大きく、照明装置、無線、および自動車点火システムに使用された。１９００年代中ごろには、トランジスタなどの先進電子機器の出現により、携帯型電源に対する電気的要件は大幅に低減された。その結果として、セルのサイズも縮小され、Ｃ、ＡＡおよびＡＡＡおよび小さいボタン・セルさえ含まれた。この電力低減は２１世紀に入っても続いており、スマート・ラベル、スマート・クレジット・カード、センサや、データ・ロガー、ノベルティ・デバイス（グリーティング・カード、バッジ等）などの用途では、現在、必要とする最大電流は数ミリアンペアであり、多くの用途では、約１．５〜３．０ボルトでわずか数マイクロアンペアしか必要としない。これらの用途では、低プロファイルおよび携帯性を維持するために、電源が平坦でかつ非常に薄いことも要求される。
【０００４】
この２５年間、多数の科学者らおよび企業によって、薄くて平坦なセルおよび電池を作製する様々な手法が試みられた。これらには、Ｐｏｌａｒｏｉｄによって開発され、広く知られているインスタント・フィルム用電池パックが含まれる。この電池パックは、Ｐｏｌａｒｏｉｄのインスタント・フィルムの各パッケージ内で使用された。これにより、Ｐｏｌａｒｏｉｄでは、ユーザが新しいフィルムパックをカメラ内に装着するごとに、カメラに未使用電池を装填させることができた。複数の層および金属箔積層パッケージを有するこの高価な電池は、高電圧、大電流の電池であり、たとえばフラッシュ・バルブに点火してモータに電力供給することができる。この電池は、必要とされている薄型かつ低コストの新たな電池の現実的な競合品ではない。Ｐｏｌａｒｏｉｄに加えて、他社も、様々な電気化学システム内の薄型電池の開発に挑戦してきた。
【０００５】
２００５年４月２０日出願の同時係属の米国特許出願第１１／１１０，２０２号および２００６年３月１７日出願の同第１１／３７８，５２０号は、平坦なセルおよび電池の新しい設計および製造方法について論じている。同出願を、参照により本明細書に組み込む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
低コストで低容量の平坦な薄型セルが市場でますます必要とされている。このため、用途が広くかつ大量生産するのに安価である平坦で印刷可能な薄型可撓性セルを作製すると有益であろう。低電力でかつ生産量の高い用途によく適した印刷可能な使い捨ての薄型セルは、十分な電圧、十分な容量、および低コストの解決策を提供する場合は特に有用であろう。従来の低プロファイル電池では通常、これらの特性は、もしある場合でも非常に少ない。
【０００７】
さらに、近年、能動ＲＦＩＤタグ、ＲＦＩＤタグ付きセンサ、イオントフォレーシスまたは他の電気的機能を発揮する皮膚パッチなどの様々な電子デバイスがますます必要とされている。これらの様々な電子デバイスは、様々な電気装荷特性（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｌｏａｄｉｎｇ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）を有することができる。したがって、比較的高い電流を確実に送出できる平坦な薄型電源を提供できると有益である。一例では、平坦な薄型電源を別個に製造し、後に様々な電子デバイスに電気的に結合させることができる。他の例では、平坦な薄型電源の製造を電気的構成要素の所望の回路の製造に統合して、これらの構成要素に電力供給することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、本発明のいくつかの態様について基本的に理解してもらうために、本発明の簡略化した概要を提示する。この概要は、本発明についての広範囲にわたる概説ではない。この概要は、本発明の主要なもしくは重大な要素を特定するものでも、本発明の範囲を線引きするものでもない。この概要の唯一の目的は、後に提示するより詳細な説明への前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。
【０００９】
本発明の一態様によれば、電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池を製造する方法が提供される。この方法は、第１の側を含む第１の基板、および第２の基板を提供するステップを含む。この方法は、前記第１の基板の前記第１の側に複数のカソード層を提供するステップと、前記カソード・コレクタ層上に誘電体層を提供するステップと、前記誘電体層上にアノード層を提供するステップとをさらに含む。前記アノード層の少なくとも一部分は、複数のカソード層のうちの隣接する２つのカソード層間に位置する。この方法は、前記カソード層に接触し、また前記アノード層にも接触する粘性液を含む電解質層を提供するステップと、前記第１の基板の前記第１の側に中間スペーサ層としてフレームを提供して、前記電解質を収容する内側空間を形成し、また前記内側空間内に前記カソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分も収容するステップとをさらに含む。この方法は、中間スペーサ層を介して前記第２の基板を前記第１の基板に接続し、前記カソード層、前記アノード層、および前記電解質層を収容する前記内側空間を実質上封止するステップをさらに含む。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池を製造する方法が提供される。この方法は、第１の基板および第２の基板を提供するステップを含み、第１の基板および第２の基板のうちの少なくとも一方は、複数の層を有するウェブを含み、前記第１の基板は第１の側を含む。この方法は、前記第１の基板の前記第１の側にカソード・コレクタ層を印刷するステップと、前記カソード・コレクタ層上に誘電体層を提供するステップと、前記カソード・コレクタ層上に複数のカソード層を印刷するステップと、前記誘電体層上にアノード層を積層するステップとをさらに含む。この方法は、前記複数のカソード層に接触し、また前記アノード層にも接触する粘性液を含む電解質層を提供するステップと、前記第１の基板の前記第１の側にフレームを提供して、前記電解質を収容する内側空間を形成し、また前記内側空間内に前記複数のカソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分も収容するステップとをさらに含む。この方法は、スペーサとして利用される第３のウェブを介して前記第２の基板を前記第１の基板に接続し、前記複数のカソード層、前記アノード層、および前記電解質層を収容する前記内側空間を実質上封止するステップをさらに含む。
【００１１】
本発明のさらに別の態様によれば、電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む電池が提供される。この電池は、複数の積層を含み、かつ第１の側および第２の側を画定する第１の基板と、第２の基板と含む。このデバイスは、前記第１の基板の前記第１の側に設けられるカソード・コレクタ層と、前記カソード・コレクタ層上に設けられる複数のカソード層と、前記カソード・コレクタ層上で、複数のカソード層のうちの少なくとも隣接する２つのカソード層間に設けられる誘電体層と、前記誘電体層上に設けられるアノード層とをさらに含み、前記アノード層が、前記誘電体層によって前記カソード・コレクタ層から絶縁される。このデバイスは、前記複数のカソード層に接触し、かつ前記アノード層にも接触する粘性液を含む電解質層と、前記第１の基板および前記第２の基板間に介在して前記第１の基板を前記第２の基板に接続して封止し、前記電解質を収容する内側空間を形成するフレームとをさらに含む。このフレームはまた、前記内側空間内に前記複数のカソード層の少なくとも主要な部分および前記アノード層の少なくとも主要な部分を収容し、前記アノード層および前記複数のカソード層のうちの少なくとも一方は、硬化または乾燥させたインクを含む。
【００１２】
本発明の前述および他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下の説明を読めば、本発明が関連する当該技術分野における当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術のユニット・セル６００の平面図である。
【図２】従来技術のユニット・セル６００の断面図であり、図１の線２−２に沿って電極領域を切り取った図である。
【図３】従来技術のユニット・セル６００の断面図であり、図１の線３−３に沿って第１の電極の長さ全体を切り取った図である。
【図４】従来技術のユニット・セル６００の断面図であり、図１の線４−４に沿って第２の電極の長さ全体を切り取った図である。
【図５】例示的な薄型大電流電気化学セルの上面部分詳細図である。
【図６】図５の線６−６に沿って切り取った電気化学セルの断面図である。
【図７】別の例示的な薄型大電流電気化学セルの上面部分詳細図である。
【図８】例示的な薄型大電流電気化学セルに対するセル電圧と放電時間を関係づける例示的な連続放電曲線を、従来技術のセルと比較して示す図である。
【図９】図８に類似しているが、セルが異なる負荷で放電される図である。
【図１０】図８に類似しているが、セルが他の異なる負荷で放電される図である。
【図１１】２秒間のパルスに対する閉回路電圧（ＣＣＶ）を、ミリアンペア単位の複数の電流とともに示す図である。
【図１２】例示的な薄型大電流電気化学セルの１製造方法を示す１つの例示的なフローチャートである。
【図１３】図１２の方法における複数の例示的なステップを示す図である。
【図１４】図１２の方法における別の複数の例示的なステップを示す図である。
【図１５】図１２の方法におけるさらに別の複数の例示的なステップを示す図である。
【図１６】概して連続するウェブを利用する例示的な製造プロセスの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
一般に、本出願は、共平面構造（ｃｏ-ｐｌａｎａｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の薄型大電流電気化学セルおよび前記電気化学セルを製造する方法に関する。一例では、電気化学セル（すなわち、電池）は通常、連続する可撓性基板ウェブ上に印刷および／または積層されており、ロールなどの形に形成することができる。このロールから個々の電池を、一度に例えば１つずつ取り外すことができる。たとえば、ロールから電池を切断することができ、および／または容易に引き裂けるように、可撓性基板ロールに穿孔することができる。さらに、電池は、たとえばアンテナおよび／または処理装置などの１つまたは複数の電気的構成要素をさらに含むことができる。本出願の複数の側面は、前述の総合パッケージで使用することができ、および／または個々に、もしくは任意の組合せで使用することができる。
【００１５】
他に明示的に示されていない限り、本明細書では、すべてのパーセントは重量パーセントである。本明細書において、たとえば「５〜２５」（または「約５〜２５」）などと範囲が与えられた場合、これは、少なくとも１つの実施形態に対して少なくとも約５、および別個にかつ独立して約２５以下を意味する。別段の指示がない限り、範囲は厳密に解釈されるべきではなく、許容できる例として与えられる。また本明細書では、記載された値または好ましい値に続いて挿入的に示された範囲は、本出願の追加の実施形態によるその値に対するより広い範囲を示す。
【００１６】
本出願は、印刷された薄型電気化学セルおよび／または複数のそのようなセルを含む電池に関する。そのようなセルはそれぞれ通常、少なくとも、第１の電気化学層を含む第１の電極（たとえば、カソード）と、第２の電気化学層を含む第２の電極（たとえば、アノード）と、電極と相互に作用して電流を生成する電解質とを含む。第１および第２の電極ならびに電解質はすべて通常、何らかの構造内に収容され、この構造は、何らかのデバイスに電流を供給するために、電極への外部からの電気的アクセスを備える。
【００１７】
そのようなセルを大量生産する１つの方法は、たとえば積層ポリマー・フィルム層などの特殊な基板上に水性および／または非水性の溶剤インクおよび／または他の被覆剤をあるパターンで堆積させるステップを含む。特に要求される量が非常に多い場合は、堆積はたとえば、１つまたは複数の高速ウェブ回転スクリーン印刷機上で、電気化学インクを印刷すること、および／またはたとえば亜鉛箔などの金属箔を積層することによって行うことができる。量が比較的少ない場合、たとえばわずか約数百万またはそれより少ないだけの量である場合には、フラット・ベッド・スクリーンを用いたウェブ印刷などの比較的遅い方法が適切であろう。数百または数千など、量がさらに少ない場合、たとえば、シート・フィード式のフラット・ベッド印刷機を利用することができる。さらに、様々な所望の量に対して様々な印刷方法を用いることができる。
【００１８】
インクが印刷された後、および／または固体物が正しく配置された後、セルを完成させることができる（たとえば、封止、ダイ・カット、積重ねおよび／または穿孔、ならびにロール状に巻取り、または印刷機上でシートが使用される場合は積重ね）。このセル製造プロセスを利用して、１つもしくは複数の個々のセルを実際のエレクトロニクスの用途に統合し、または直列もしくは並列に接続された複数のセルを含む電池に統合し、またはこれら２つの何らかの組合せを行うこともできる。そのようなデバイスの例および対応するプロセスについては後述するが、多くの追加の実施形態も企図される。
【００１９】
上述したように、電池は、印刷された可撓性の薄型電気化学セルとして説明することができる。そのようなセルは、たとえば、特別な特徴を有した特殊なポリマー積層を利用できる下部フィルム基板を含むことができる。この下部フィルム基板は、場合によっては、たとえば高湿度バリア層をその中心に含み、このバリア層が、両側のポリマー・フィルムによって取り囲まれる。さらに、一方または両方の外側表面は、望みに応じて、情報、ロゴ、命令、識別、通し番号、図形、または他の情報もしくは画像を印刷するために印刷受容性を有することができる。
【００２０】
この電池のどの構造が使用されるかに応じて、基板の内層は熱封止層を特徴として有することができ、この熱封止層は、バリア被覆剤の反対側で共押出することができる。
【００２１】
さらに、少なくともいくつかの実施形態におけるセルの下部基板層の内側表面の一部分は、フィルム基板の一部分に印刷もしくは被覆され、または他の方法で塗布された、たとえば炭素などのカソード電流コレクタを利用することができる。望ましい場合、アプリケーション接続に対する導電性を改善するために、このコレクタの外側コンタクト領域にもまた、たとえば銀、ニッケル、またはスズなどの比較的導電性が高いインク層を印刷することができる。しかし、比較的電流要件が低い電池用途の場合、一方または両方の電極に対して、導電性がより高い層材料、またさらには電流コレクタを利用することはできない。
【００２２】
少なくともいくつかの実施形態では、水性インク電気化学層がカソードとして印刷される。そのようなカソード層は、たとえば、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、炭素、およびポリマー結合剤を含むことができる。これらの材料の有無にかかわらず、カソード層に対して他の調合物を利用することもできる。カソード・コレクタ層が使用される場合、カソード層の一部分を形成するか否かにかかわらず、カソード電気化学層は、カソード電流コレクタの少なくとも一部分上に印刷され、これはまず、基板に印刷され、または他の方法で塗布される。
【００２３】
アノードに関しては、オフライン動作では、場合によっては剥離ライナを使用する乾燥したフィルム接着剤層を亜鉛箔に塗布することができる。次いでこの亜鉛箔をベース基板に積層することができる。
【００２４】
任意選択で、アノードとカソードの一方または両方を覆って、澱粉インクまたは類似の材料が印刷される。澱粉インクは、水性の電解液がセルに塗布された後に電極を「濡れた」まま維持する電解質吸収体として働くことができる。この澱粉インクはまた、セル反応に使用される電解質塩および水を含むこともできる。印刷された澱粉の代わりに、アノードおよびカソードを覆って紙層を使用することもできる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、２つの電極を定位置に置いた後、澱粉層（複数可）の有無にかかわらず、セル「ピクチャ・フレーム」を追加することができる。これは、複数の異なる方法を使用して行うことができる。１つの方法は、たとえば、このセル・ピクチャ・フレームを誘電体インクで印刷することである。別の方法は、接着剤層を含むポリマー・シートまたは積層ポリマー・シートを利用することであり、このシートは、スタンピング、ダイ・カット、レーザ切断、または類似の方法で、各ユニット・セルの材料を収容するため、ならびにデバイスを接続するように電気コンタクトを露出させるための適切な「ポケット」（１つまたは複数の内側空間）を形成する。
【００２６】
基板に対するピクチャ・フレームの良好な封止を確保するため、そしてコンタクト・フィードスルー（セル内側からセル外部への電気経路を提供する）の良好な封止を提供するため、たとえばフレームを印刷する前、またはポリマー・シートを挿入する前に、たとえばセル・フレームと同じパターンなどで、封止またはコーキング接着剤を基板上に印刷することができる。
【００２７】
この封止またはコーキング材料は、たとえばＡｃｈｅｓｏｎ  ＣｏｌｌｏｉｄのＰＭ０４０のように、たとえば感圧性および／または感熱性を有することができ、または両面への封止を容易にする任意の他のタイプの材料とすることができる。
【００２８】
誘電体ピクチャ・フレームを印刷および乾燥し、および／または硬化させた後、フレームの上に感熱封止接着剤を印刷して、上部基板とセル・フレームの良好な封止を可能にすることができる。このセル・ピクチャ・フレームはまた、事前に打ち抜き、次いで前述の事前に印刷したコーキング接着剤層に整合するように位置合わせして積層した厚さ約０．０１５ｉｎ（約０．００３ｉｎ〜０．０５０ｉｎの範囲）のポリマー・フィルムまたは積層フィルムを含むことができる。
【００２９】
少なくともいくつかの実施形態では、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）は、たとえば約１８重量％〜４５重量％の濃度範囲で電解質として選択することができる。一例では、約２７％が好ましいであろう。この電解質を、たとえば開放セルに追加することができる。ライン上での処理を容易にするために、この電解質または異なる電解質を、たとえば約０．６重量％（約０．０５重量％〜１．０重量％の範囲）のレベル程度のＣＭＣで厚くすることができる。
【００３０】
たとえば、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）と塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）の混合物、酢酸亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ２Ｏ２））、臭化亜鉛（ＺｎＢｒ２）、フッ化亜鉛（ＺｎＦ２）、酒石酸亜鉛（ＺｎＣ４Ｈ４Ｏ６．Ｈ２Ｏ）、過塩素酸亜鉛Ｚｎ（ＣｌＯ４）２．６Ｈ２Ｏ）、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、または有機物などの他の有用な電解質調合物を使用することもできる。
【００３１】
塩化亜鉛は好まれる電解質であり、普段遭遇する通常の環境条件に対して優れた電気性能を提供することができる。同様に、とりわけ前述の代替電解質はいずれも、たとえば約１８重量％〜４５重量％の範囲内の濃度で使用することができ、少なくともいくつかの他の実施形態では、約２５重量％〜３５重量％の範囲が使用される。そのような組成はまた、通常の環境条件下で許容できる性能を提供することができる。
【００３２】
いくつかの異なる環境条件下では、塩化亜鉛以外の電解質を使用すると、改善されたセル／電池の電気性能を提供することができる。たとえば、約３２重量％の酢酸亜鉛（Ｆ．Ｐ．（凝固点）約２８℃）は、約３２重量％の塩化亜鉛（Ｆ．Ｐ．約−２３℃）より低い凝固点を示す。これらの溶液はどちらも、約２７重量％の塩化亜鉛（Ｆ．Ｐ．約−１８℃）より低い凝固点を示す。他の酢酸亜鉛濃度、たとえば約１８〜４５重量％または約２５〜３５重％もまた、低減された凝固点を示す。
【００３３】
そのような電解質調合物を塩化亜鉛の代わりに、またはセル内で使用される様々な混合物内で使用すると、低温での性能を改善することができる。たとえば、約３２重量％の酢酸亜鉛の電解質を使用すると、ボルタ電池の低温（すなわち、約−２０℃未満）性能を実質上改善することが見出された。低温でのこのタイプの電気化学セルの性能改善は、低温環境で使用できる、たとえば電池補助式ＲＦＩＤタグ、および／または他の過渡的（可搬式）電動デバイス（たとえばスマート能動ラベル、温度タグなど）の成長ビジネスで利用することができる。
【００３４】
たとえば、食品、薬、血液などの現在出荷される多くの製品は、低温での保管・出荷条件、またさらには低温動作を必要とすることがある。そのような商品の安全な出荷を確保するために、これらの品目を能動ＲＦＩＤタグおよび／またはセンサで追跡することができる。これらのタグおよび／またはラベルでは、電気化学セルおよび／または電池が、約−２３℃、約−２７℃、またさらには約−３０℃以下など、−２０℃またさらにはそれ未満の温度で効果的に動作することを要求されることがある。
【００３５】
低温での用途のために改善された低温性能を実現するために酢酸亜鉛が使用されるとき、約３１〜３３重量％の範囲の酢酸亜鉛濃度を許容できることが多いが、約３０〜３４重量％、約２８〜３６重量％、約２６〜３８重量％、およびさらには約２５〜４０重量％の範囲を利用することもできる。
【００３６】
少なくとも１つの実施形態では、印刷された澱粉層に水性電解質を加えた構造は、たとえば、各電極の少なくとも一部分を効果的に覆う印刷可能な粘性液（ゲルまたは何らかの他の粘性材料を含むことができる）に置き換えることができる。そのような印刷可能なゲルの一例が、２００３年９月４日公開の米国特許出願公開第２００３／０１６５７４４Ａ１号に記載されている。同出願を、参照により本明細書に組み込む。これらの粘性調合物は、たとえば、前述した電解質の調合および濃度を利用することができる。
【００３７】
セル・パッケージの上部基板は、特殊な積層ポリマー・フィルムを利用することができ、この積層ポリマー・フィルムは、内部のセル／電池構成要素を越えてセル・フレーム上に延びる縁部を有する。上部層は、感圧接着剤（ＰＳＡ）によって、および／または事前に印刷された感熱封止接着剤によって、セル・フレームの縁部の周囲で封止され、したがって内部構成要素をセル・フレーム内に閉じ込める。
【００３８】
前述の構造は湿式のセル構造とすることができるが、類似のセル構造を使用して、この電池を予備セル構造にすることもできる。予備セル構造には、液体の塗布前の保存寿命を延ばすという利益がある。印刷可能な可撓性塩化亜鉛薄型セルは、環境に優しいものとすることができる。そのような構造は、たとえば水銀またはカドミウムなどの有害な成分の使用を要しない構造を利用することができる。したがって、この設計を有する、古いおよび／または使い切ったセルは、通常の廃棄物除去手順を用いて廃棄することができる。
【００３９】
この技術を使用できるデバイスは広範囲にわたる。比較的低い電力または限られた寿命（１年から３年、場合によってはそれ以上）を利用するデバイスは、本明細書に記載するタイプの薄型セル／電池を利用して機能することができる。このセルは、上記段落および以下に説明するように、安価に大量生産できることが多く、したがって、たとえば使い捨て製品の内部で使用することができる。低コストが、以前は費用効果が悪かった用途への適用を可能とする。
【００４０】
本出願による電気化学セル／電池は、以下の利点の１つまたは複数を有することができる。
・比較的薄型。
・平坦で、厚さが比較的均一であり、縁部は中心とほぼ同じ厚さである。
・可撓性がある。
・多くの幾何形状が可能である。
・容器が封止される。
・構造がシンプルである。
・高速かつ大量生産用に設計されている。
・低コストである。
・多くの温度で信頼できる性能を有する。
・低温性能が良好である。
・使い捨てで、環境に優しい。
・両方のセル・コンタクトが同一表面上にある。
・アプリケーション中に容易に組み込むことができる。
・応用例の電子機器の作製と同時に、連続プロセス中で容易に統合することができる。
【００４１】
上記は、本出願のいくつかの実施形態による様々なセル構造についての一般的な説明であった。さらなる詳細については、図面を利用して以下に示す。セル印刷および組立てのためのセルおよび電池生産プロセスについても、同様に説明する。
【００４２】
一例では、毎分５０リニア・フィートまたは別の比較的速い速度などの比較的高速で高出力の製造が企図される場合などは、複数のウェブを使用することができる。複数のウェブは概して連続することができ、また公知のウェブ製造機器で利用することができることを理解されたい。第１のウェブは、約０．００２〜０．０１０ｉｎ、また好ましくは約０．００３〜０．００６ｉｎのように比較的薄く、可撓性ベース基板は、多層積層構造または単層材料を含む。一例では、多層構造は、５つの層を含むことができる。別法として、単層材料は、カプトンまたはポリエステルなどの様々な材料を含むことができる。第２のウェブは、厚さ約０．００５〜０．０３０ｉｎ、また好ましくは厚さ約０．０１０〜０．０１５ｉｎであるＰＶＣまたはポリエステル・フィルムを含む比較的厚い積層構造とすることができる。第２のウェブは、厚さ約１〜５ミルの感圧接着剤層を片側に有することができる。第２のウェブのこの積層構造が完成した後、これを第１のウェブに貼り付けることができる。追加で、または別法として、セルの活物質用の空洞、ならびにセル／電池コンタクト用の任意の空洞を形成するために、任意のタイプの機械的手段を使用して第２のウェブをパターン切断することができる。第３のウェブは、第１のウェブと同じおよび／または第１のウェブに類似の比較的薄い積層構造とすることができる。完成した３つのウェブの構造は、個々のデバイス・アセンブリをラベルとして適用できるように、いずれかの側に感圧接着剤を有することができる。セル／電池は、２００５年４月２０日出願の同時係属の米国特許出願第１１／１１０，２０２号に開示のような薄型セル・タイプのもの、および／または２００６年３月１７日出願の同時係属の米国特許出願第１１／３７８，５２０号に開示のセルとすることができる。これらの出願を、参照により本明細書に組み込む。
【００４３】
本明細書に記載の様々な導電性インクは、炭素、銀、ニッケル、銀で被覆された銅、銅、塩化銀、亜鉛、および／またはこれらの混合物などの多くのタイプの導電性材料をベースにすることができる。たとえば、導電性および可撓性の点で有用な特性を示す１つのそのような材料は、Ａｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ（ミシガン州ポートヒューロン）のＰＭ０４６である。さらに、印刷回路の一部となりうる様々な回路、電気的経路、アンテナなどは、カプトン基板などのポリマー上に積層されたアルミニウム、銅、または類似のタイプの金属箔をエッチングすることによって作製することができる。これは、エッチングされているか、それとも印刷されているかにかかわらず、多くのタイプ（寸法および周波数）の経路および／またはアンテナで行うことができる。
【００４４】
次に図１〜４を参照すると、従来技術は通常、たとえば、封止された「ピクチャ・フレーム」構造を使用する、印刷された可撓性の薄型電気化学セルを含んだ。この構造は、印刷されたカソード・コレクタ（たとえば、導電性の高い炭素カソード・コレクタ）上に配置した印刷されたカソードを含み、印刷されたまたは箔ストリップのアノードがカソードに隣接して配置される。このタイプの電気化学セル／電池は、米国特許出願第１１／３７８５２０号に記載されている。同出願の開示を、参照により本明細書に組み込む。電気化学セル／電池はまた、アノードおよびカソードのすべてまたは一部を覆うセパレータ上に分注された粘性またはゲル化電解質を含み、次いでピクチャ・フレーム上に上部積層を封止することができる。このタイプの電気化学セルは、印刷によって（たとえば、印刷機の使用によって）容易に作製されるように設計されており、たとえば、セル／電池を応用例の電子機器に直接統合することができる。
【００４５】
本明細書では標準的な構造とも呼ぶ従来技術の電気化学セルを、図１〜４でさらに説明する。図１〜４は、完成したユニット・セル６００の一実施形態を平面図または断面図で示したものである。セル６００は、上部積層フィルム基板（層）１１２と、下部積層フィルム基板（層）１１１と、銀で印刷された正コンタクト１４０および負コンタクト６５０を有する延長領域１８０とを含む。さらに、セル６００は、カソード層１３０およびアノード層１１６を含む。カソード層１３０およびアノード層１１６はそれぞれ、電解質を通って相互作用し電流を生成することができる異なる組成の電気化学層から構成される。より明瞭にするために、図１のセル６００には上部積層１１２を示さない。
【００４６】
カソード層１３０を塗布する前に、導電性の高い炭素からなるカソード・コレクタ１３１が下部積層基板１１１上に印刷される。少なくとも１つの実施形態では、カソード・コレクタ１３１の大きな面積の部分上に、二酸化マンガン、たとえば炭素（たとえば、黒鉛）などの導体、結合剤、および水を含むインクを使用して、カソード層１３０が印刷される。アノード層１１６は、導電性の亜鉛インクとして印刷することができ、または図に示すように、亜鉛箔（１１６）とＰＳＡ（６６０）の積層として提供することができる。これらはどちらも、幅約０．２０ｉｎおよび厚さ約０．００２ｉｎ（０．００１ｉｎ〜０．０１０ｉｎ）とすることができる。電極層（アノード層１１６およびカソード層１３０）が定位置に置かれた後、電極の周りに「ピクチャ・フレーム」１１３が配置される。ピクチャ・フレーム１１３は、ポリエステルまたはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などのダイ・カット・ポリマー積層シートを含むことができ、また２つの感圧接着剤層（上部表面上の１１８および底部表面上の１１７）をさらに備えることができる。上部感圧接着剤（ＰＳＡ）層１１８は、上部積層基板１１２をピクチャ・フレーム１１３に対して封止し、また底部ＰＳＡ層１１７を使用して、底部積層基板１１１をピクチャ・フレーム１１３に対して封止することができる。
【００４７】
ピクチャ・フレーム・アセンブリの全体的な厚さ（ライナの厚さを除く）は、約０．０１５ｉｎ（約０．００５ｉｎ〜０．５０ｉｎ）である。ピクチャ・フレームは、電極がフレーム内で中心に位置決めされるように、底部剥離ライナを除去した後に下部積層基板１１１上に配置することができる。場合によっては、漏れのない構造を確保するために、ピクチャ・フレーム１１３の領域内で、アノード１１６の上およびカソード・コレクタ層１３１の上に、封止および／またはコーキング接着剤、感熱封止剤、および／または両面ＰＳＡテープ６５３を配置および／または印刷することができる。封止接着剤６５３はまた、ピクチャ・フレーム１１３の他の箇所に提供することもできる。
【００４８】
電解質がゲル化被覆の一部ではない場合、両方の電極を覆うまたは部分的に覆う「紙セパレータ」１２６（明瞭性のために図１には図示せず、図２参照）などの吸収体材料にセル電解質１２０が提供される。この電解質は、約２７重量％（約２３重量％〜４３重量％）のＺｎＣｌ２水溶液とすることができ、この水溶液はまた、約０．６％レベル（約０．１％〜２％）のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）または他の類似の材料などの増粘剤を含有することもできる。セルは、ＰＳＡを使用して、および／または熱封止を用いて、上部積層１１２をピクチャ・フレームを覆うように塗布して封止することによって完成される。
【００４９】
前述の従来技術の電池は、共平面構造を有する。共平面構造は、製造が容易であり、かつ一貫した高信頼性性能を提供するいう点で、いくつかの利点を提供した。しかし、これらの電池は主に、比較的低いレベルの電流を供給する電源として設計される。したがって、標準的な共平面電気化学セル構造によって提供される電流よりも高い電流を確実に送出できる平坦な薄型電源がますます必要とされている。
【００５０】
より高い電流を確実に送出できる平坦な薄型電源が必要とされたため、初期の共平面セル／電池と同じ利点を有するが、より高い電流も送出できる構造が求められた。図５〜６に、より高い電流を送出できる新しい共平面構造の上面図および断面図を示す。この構造を、本明細書では高ドレイン（「ＨＤ」）設計と呼ぶ。ＨＤ設計には、いくつかの顕著な性能上の利点がある。これらは通常、カソード・コレクタ抵抗がより低いこと、セル内部抵抗がより低く、その結果、同じ負荷でパルス電圧がより高いこと、電流がより高くなるとパルス電圧改善がより大きくなること、および／またはより高いドレイン試験で高電圧カットオフまでの動作時間が増大することなどのうちの１つまたは複数を含む。ＨＤ設計の電気化学セルはまた、印刷によって（たとえば、印刷機を使用して）容易に作製されるように設計され、たとえば、セル／電池を応用例の電子機器に直接統合することができる。
【００５１】
次に図５〜６に、完成したＨＤユニット・セル／電池１０００の平面図および断面図を示す。ＨＤセル１０００は通常、下部積層フィルム基板（単層または多層）１００２と、上部積層フィルム基板（単層または多層）１００４と、少なくとも１つの正コンタクト１００８および少なくとも１つの負コンタクト１０１０を有する延長領域１００６とを含む。さらに、ＨＤセル１０００は、複数のカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂと、少なくとも１つのアノード層１０１４とを含む。カソード層は、電解質を通って相互作用して電流を生成することができるアノード層とは異なる組成の電気化学層から構成することができる。カソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂとアノード層１０１４はそれぞれ、下部基板１００２の第１の側に提供することができる。より明瞭性を高めるために、図５のＨＤセル１０００には上部積層１００４を示さない。
【００５２】
複数のカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂを塗布する前に、導電性の高い炭素からなるカソード・コレクタ１０１６を下部積層基板１００２上に印刷することができる。少なくとも１つの実施形態では、カソード・コレクタ１０１６の大きな面積の部分上に、二酸化マンガン、たとえば炭素（たとえば、黒鉛）などの導体、結合剤、および水を含むインクを使用して、それぞれのカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂが印刷される。様々な数のカソード層を利用することができる。アノード層１０１４は、導電性の亜鉛インクとして印刷することができ、または図に示すように、亜鉛箔（１０１４）とＰＳＡ（１０１９）の積層として提供することができる。これらはどちらも、幅約０．２０ｉｎおよび厚さ約０．００２ｉｎ（０．００１ｉｎ〜０．０１０ｉｎ）とすることができる。ＺｎＣｌ２の電解質を含むことができる水性のゲル化被覆層（図示せず）を、アノード層（図１および２には図示せず）を覆って、ならびにアノード層１０１４をそれぞれのカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂから分離する間隙内に印刷することができる。セル１０００内の短絡を回避するために、アノード層１０１４が上を覆うカソード・コレクタ１０１６上に、誘電体層１０１８を印刷または積層などで提供することができる。したがって、前記誘電体層１０１８によって、アノード層１０１４を前記カソード・コレクタ層１０１６から絶縁することができる。カソード・コレクタ１０１６上に提供される絶縁誘電体層１０１８上に、アノード層１０１４を印刷または積層することができる。絶縁層１０１８は、様々な誘電体または電気的に中性の材料（ポリ塩化ビニル、ポリエステルなど）および／または様々な接着剤（感熱封止剤、ＵＶ硬化封止剤など）、および／または両面ＰＳＡテープを含むことができる。
【００５３】
図５に示すように、誘電体層１０１８およびアノード層１０１４は、複数のカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂのうちの少なくとも隣接する２つの間に配置することができる。一例では、誘電体層１０１８およびアノード層１０１４は、アノード層１０１４とカソード層の一方１０１２Ａの間の導電性経路がアノード層１０１４とカソード層の他方１０１２Ｂの間の導電性経路に概して等しくなるように、前記２つの隣接するカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂから概して等距離に配置することができる。さらに、アノード層１０１４がカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂのうちの１つにより近くなるように、複数のカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂのうちの隣接する２つから非等距離でアノード層１０１４を配置することもできる。他の例では、一対の隣接するカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂ間にアノード層１０１４を配置し、追加の他のカソード層（図示せず）から距離を空けることができる。さらなる他の例では、複数のアノード層（図示せず）を備え、複数のカソード層間にまたは複数のカソード層付近に様々な形で配置することができる。
【００５４】
アノード層１０１４を定位置に置いた後、最終的には電極の境界を示す領域の周りに「ピクチャ・フレーム」１０２０を配置することができる。本明細書に記載のように、カソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂは、ピクチャ・フレームが印刷される場合はピクチャ・フレーム１０２０を提供した後に印刷することができるが、ピクチャ・フレームがダイ・カット・ポリマー積層である場合はピクチャ・フレーム１０２０を提供する前に印刷することができる。ピクチャ・フレーム１０２０は通常、上部から見るとＨＤ電気化学セル１０００の周辺部に沿って提供されるスペーサとすることができる。ピクチャ・フレーム１０２０は、ポリエステルまたはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などのダイ・カット・ポリマー積層シートを含むことができ、また２つの感圧接着剤層（すなわち、上部表面上の１０２２および底部表面上の１０２４）をさらに備えることができる。上部感圧接着剤（ＰＳＡ）層１０２２を使用して、上部積層基板１００４をピクチャ・フレーム１０２０に対して封止することができ、また底部ＰＳＡ層１０２４を使用して、底部積層基板１００２をピクチャ・フレーム１０２０に対して封止することができる。
【００５５】
ピクチャ・フレーム・アセンブリの全体的な厚さ（ＰＳＡ剥離ライナの厚さを除く）は、約０．０１５ｉｎ（約０．００５ｉｎ〜０．５０ｉｎ）とすることができる。ピクチャ・フレームは、電極がフレーム内で中心に位置決めされるように、底部剥離ライナを除去した後に下部積層基板１００２上に配置することができる。場合によっては、漏れのない構造を確保するために、概してピクチャ・フレーム１０２０の下に入る領域内で、誘電体層１０１８、アノード１０１４、および／またはカソード・コレクタ層１０１６のいずれかの上に、封止および／またはコーキング接着剤、感熱封止剤、および／または両面ＰＳＡテープ（図示せず）を配置および／または印刷することができる。封止接着剤（図示せず）はまた、ピクチャ・フレーム１０２０の他の箇所に提供することもできる。ＨＤセル１０００の全体的な厚さは概して均一にすることができ、またはＨＤセル１０００内に収容される様々な要素の相対的な厚さに応じて変動させることもできる。ＰＶＣがスペーサ材料として使用される場合、片側または両側にＰＳＡ層を使用することなく熱封止することができる。
【００５６】
電解質がアノードおよび／またはカソードの上のゲル化被覆の一部ではない場合、両方の電極を覆うまたは部分的に覆う紙セパレータ１０２８などの吸収体材料または別のタイプの吸込み材料にセル電解質１０２６を提供することができる。この電解質は、約２７重量％（約２３重量％〜４３重量％）のＺｎＣｌ２水溶液とすることができ、この水溶液はまた、約０．６％レベル（約０．１％〜２％）のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）または他の類似の材料などの増粘剤を含有することもできる。別法として、ピクチャ・フレームの内側にあるアノードおよびカソードを覆って、「澱粉インク」または電解質を流し込み、または印刷することもできる。ＨＤセル１０００は、ＰＳＡを使用して、および／または熱封止を用いて、上部積層１００４をピクチャ・フレーム１０２０を覆うように塗布して封止することによって完成される。
【００５７】
通常、本明細書に記載の大電流の薄型電気化学セルの１つは、約１．５ボルトを提供することができる。しかし、より高電圧および／または高容量が望ましい場合、複数のセルを電気的にともに結合することができる。たとえば、１．５ボルトのユニット・セルを直列に２つ接続することによって３ボルトの電池が得られる。但し、異なる電圧を有するユニット・セルを使用することによって、および／または異なる数のセルをともに直列および／または並列に組み合わせることによって、他の電圧および／または電流を得ることができる。したがって、より高電圧を使用する用途では、ユニット・セルを直列に接続することができ、より大きな電流および／またはより高容量を必要とする用途では、ユニット・セルを並列に接続することができ、また高電圧かつ、大電流および／または高容量の用途では、直列に接続しさらに並列に接続した様々なセル群を利用することができる。したがって、様々なユニット・セルおよび／または電池構成を使用して、異なる電圧および電流を使用する様々な用途に対応することができる。
【００５８】
さらに、図７のＨＤ設計セル（２０００）は、医療用用途などのいくつかの独自の用途で必要に応じて、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、他の多角形の形状、不規則なものなどの非直線の幾何形状を使用して構築することができる。一例では、図７に示すような概して円形の形状はより容易に作製することができ、アノードとカソードの間のピクチャ・フレームの内側の領域をより良好に利用することができる。より明瞭性を高めるために、図７のＨＤセル２０００には上部積層を示さない。理解できるように、誘電体（２０１８）上で概して２つの隣接するカソード２０１２Ａ、２０１２Ｂ間にアノード２０１０を配置することによって、相対的に増大したＨＤセルの性能特性を様々な幾何形状で実現することができる。図５の要素と同一、類似の要素を示すために、２０００番台の類似の参照番号（すなわち、２０００、２００２など）を使用する。さらに、様々な他の要素をある程度使用することもできる。従来技術の標準的な構造では、非直線の設計を使用し、また連続するアノード・ストリップを含むセルは、アノード・ストリップをあまり効率的に使用しておらず、アノード・ストリップの上により多くの封止領域を必要とすることが多かった。この領域は封止するのが困難なことがあるので、従来技術の標準的な構造では、封止故障が発生して電気性能が乏しくなる可能性がより大きい。
【００５９】
様々な要素のさらなる詳細について、次に説明する。第１の基板１００２および／または第２の基板１００４は、５つの層などの様々な層を含むことができる。たとえば、第１の基板１００２の様々な層は、３層のフィルムと、２つのＵＶ硬化ウレタン積層接着剤層とを含むことができる。２つのＵＶ硬化ウレタン積層接着剤層は、厚さ約０．２ミルなど、約０．１〜０．５ミルの範囲内で比較的薄くすることができる。一例では、この積層構造は、ウィスコンシン州オシュコシュのＣｕｒｗｏｏｄ  Ｉｎｃ．、Ｂｅｍｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｙによって提供されるものとすることができる。上部フィルム層は、ＤｕＰｏｎｔ（ＯＬシリーズ）によって提供されるような熱封止可能層とすることができる。この層は、セルの内側に位置し、また例示的な厚さ約０．０００４８ｉｎ（たとえば、約０．０００２ｉｎ〜０．００２ｉｎ）を有することができる。中間フィルム層は、日本のＴｏｐｐａｎによって供給されるＧＬフィルムなどの高湿度バリアポリマー層とすることができる。通常、このポリエステル・フィルムは、積層構造の内側に酸化物または金属化被覆を有することができる。この被覆の水分透過値は、真空蒸着させた酸化物または金属の種類および量に応じて変動させることができる。完成したセルの外側に置くことができる第３のフィルム層は、構造層として働くことができるポリエステル層とすることができる。５層構造のこの構造層は、配向ポリエステル（ＯＰＥＴ）とすることができ、約０．００２ｉｎ（たとえば、約０．０００５ｉｎ〜０．０１０ｉｎ）の厚さを有することができる。この層はまた、たとえば、厚さ約０．２ミルのウレタン接着剤を用いて他の層に積層することができる。この「構造層」は、ＤｕＰｏｎｔのポリエステル配向（ＯＰＥＴ）フィルム、たとえばＭｅｌｉｎｅｘブランドのものとすることができる。使用できる別の材料は、日本のＴｏｙｏｂｏ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．からのものであり、白色ミクロボイド配向ポリエステル（ＷＭＶＯＰＥＴ）と呼ばれるポリエステル・ベースの合成紙である。
【００６０】
セル構造、セル応用例、および／またはセル環境に応じて、基板に対して異なるバリア特性を付与することができると有利である。広い範囲の蒸気透過率が利用可能であるため、望みに応じて、それぞれの特有の用途および構造に対してバリア層を選択することができる。たとえばセルがより高いガス処理率および短寿命を意図的に有するときには、セル膨張を最小限にするように、透過率のより高いフィルムを使用してより大量のガスを逃がすことができると適切でありかつ望ましい場合がある。別の例は、砂漠などの高温で乾燥した環境下での用途または何らかの特殊な工業向けの用途になるはずである。そのような場合、電池からの過度の水分損失を防止するために、透過率の低いバリアフィルムを有することができると望ましい。
【００６１】
ポリマー厚さの一部またはすべてを増大させることによってより厚い基板を使用すると、いくつかの利点があることがある。これには、以下の一方または両方が含まれることがある。
・より厚い基板は温度の影響を受けにくいので、セルが印刷機上でより良好に処理される。
・セル・パッケージが、より硬くかつより強固になる。
【００６２】
上記の仕様に加えて、外層と内層はどちらも、インクが印刷されうる表面を含むことができる。機能性インク（コレクタ層および／または電気化学層など）には内層が使用され、一方望ましい場合、グラフィカル・インクには外層を使用することができる。封止されたシステムを有する平坦なセル構造は、金属化フィルムおよび／または１つもしくは複数の非常に薄い金属箔を水分バリアとして含む積層構造を利用することができる。金属層を使用するそのような構造は、前述の実施形態のいくつかに使用される構造より良好な水分バリア特性を有することができるが、この構造にはいくつかの欠点が存在することもある。これには、以下の１つまたは複数が含まれることがある。
・金属バリア（薄い金属箔または真空金属化層）を有する積層構造は、より高価になりうる。
・金属層を有する積層構造は、内部短絡を引き起こす可能性がある。
・金属バリアを含む積層構造は、応用例の電子機器、たとえばＲＦＩＤアンテナの機能と干渉する恐れがある。
【００６３】
本明細書に記載の様々な基板は、バリア層（金属または他の材料を含む）の有無にかかわらず、ポリマー・フィルムの多数のバリエーションから構成することができ、ポリエステルまたはポリオレフィンなどの単層または多層フィルムを利用することができる。ポリエステルは、利用するのに良好な材料である。その理由としては、高温乾燥条件下で改善された強度を提供し、したがってより薄いゲージ・フィルムの使用を可能にし、また通常、マルチステーション印刷機で使用したときに容易に伸びないことが挙げられる。ビニル、セロハン、およびさらには紙もまた、フィルム層として、または積層構造内の１つもしくは複数の層として使用することができる。非常に長い保存寿命が望ましい場合、および／または環境条件が非常に厳しい場合、多層積層を修正して、酸化物被覆の代わりにアルミニウムの真空蒸着によって得られるような金属化層を含むことができる。
【００６４】
別法として、フィルム層の構造内に、またさらには異なる位置に、非常に薄いアルミニウム箔を積層させることができる。そのような修正により、既に低い水損失を事実上ゼロまで低減させることができる。他方では、保存寿命および／または動作寿命が比較的短い用途の場合、より高価なバリア層を、より低コストだが依然としてセルが所望の寿命だけ機能することが可能な、効率がより低い層と置き換えることができる。
【００６５】
極端に短い寿命だけが必要である用途の場合、セル・パッケージは、ポリエステルまたはポリオレフィンなどの低コストのポリマー基板からなるフィルム層を代わりに使用することができる。様々な基板をともに結合および／または封止するための感圧接着剤を、積層上の熱封止システムに置き換えることが可能である。たとえば、非結晶質ポリエステル（ＡＰＥＴもしくはＰＥＴＧ）、半結晶質ポリエステル（ＣＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、またはポリオレフィン・ポリマーなどの熱封止被覆などを、ポリエステルなどのポリマー・フィルム上で使用することができる。そのような例示的な材料の１つは、ＤｕＰｏｎｔ製のオーブナブル・リディング（ＯＬ）フィルムであり、ＯＬ、ＯＬ２、またはＯＬ１３などのＯＬシリーズと呼ばれる。
【００６６】
様々な他の基板をスペーサ・フレームとして利用することもできる。たとえば、第３の基板は、厚さ約０．０００５ｉｎ〜０．０３０ｉｎ、また好ましくは約０．００５ｉｎ〜０．０１５ｉｎのＰＶＣまたはＰＥＴフィルムなどの様々な材料から構成することができる。第３の基板は、厚さ約０．００３ｉｎ（０．００１ｉｎ〜０．００５ｉｎ）の２つの感圧接着剤（ＰＳＡ）層間に挟まれ（すなわち、間に介在する）、また剥離ライナを含む。さらに、スペーサは、硬化させた誘電体で、または何らかの他の硬化および／または乾燥方法で印刷することができる。この材料、たとえばＡｃｈｅｓｏｎ  ＣｏｌｌｏｉｄｓのＰＭ０３０は感圧接着剤とすることもでき、したがって場合によっては、追加の接着剤層を印刷する必要をなくす。
【００６７】
アノード１０１４のアセンブリは、厚さ約０．００１５ｉｎ〜０．００５ｉｎ、また好ましくは約０．００２ｉｎの亜鉛箔などの様々な材料を含むことができる。アノード１０１４のアセンブリは、厚さ約０．００２ｉｎ（０．００１ｉｎ〜０．００５ｉｎ）の感圧接着剤（ＰＳＡ）１０１９に積層され、また剥離ライナを含む。ＰＳＡ層１０１９は、アノード１０１４と誘電体１０１８の間に配置されるはずである。
【００６８】
したがって、図５〜６に示すように、ＨＤ設計の電気化学セル１０００は、少なくとも絶縁体１０１８によって、また場合によってはＰＳＡ層１０１９によってカソード・コレクタ１０１６から分離される、ほぼ中央のアノード１０１４を備える。アノード１０１４のそれぞれの側には、カソード１０１２Ａ、１０１２Ｂが提供され、これらはどちらもカソード・コレクタ１０１６上に位置する。ＨＤ電気化学セル１０００は、元の構造と比較するとそのセル抵抗がより低いため、より大きな電流を生成することが可能である。これは、中央のアノード１０１４と２つの隣接するカソード１０１２Ａ、１０１２Ｂの間の導電長さを低減させること、および／またはカソード・コレクタ１０１６の抵抗を低減させることによって実現される。理解されるように、様々なタイプのセル幾何形状を利用できるが、概して対称のセル幾何形状は、アノード１０１４を概して２つの隣接するカソード１０１２Ａ、１０１２Ｂ間に配置し、それによってこれらの間の距離を低減させるのに有益となりうる。
【００６９】
電流が表面全体にわたって流れるための、単位長さ当たりの直流電圧降下と幅当たりの表面電流の比。実際、表面抵抗率は、正方形の２つの対向する側間の抵抗であり、正方形の寸法またはその寸法単位とは無関係である。「シート抵抗」とも呼ばれる表面抵抗率をオーム・パー・スクエアで表す。シート抵抗は、概して均一の厚さを有する薄いフィルムの抵抗を評価する基準である。シート抵抗は、薄いフィルムを２次元の実体と見なす２次元システムに適用することができる。これは、３次元システムで使用される抵抗率に類似している。シート抵抗という用語を使用するとき、電流はシートの平面に垂直ではなく、シートの平面に沿って流れていなければならない。
【００７０】
導電長さは、電流がカソード領域とアノード領域間で進まなくてはならない距離である。アノード１０１４をカソード１０１２Ａ、１０１２Ｂの中間に本質的に配置することによって、従来技術に対して、導電長さが実質上低減され、したがってその結果、セルの内部抵抗がより低くなる。さらに、カソード・コレクタ１０１６の抵抗が比較的低いので、電流をより大きくすることができる。正方形の数が低減されるので、この抵抗はより低くなる。正コンタクト１００８を含むカソード・コレクタ１０１６のその底部から上部までの抵抗は、カソード・コレクタ１０１６内の正方形の数を計算することによって決定することができる。正方形の数は、幅が最も狭いところのコレクタ長さをコレクタ領域の最も狭い幅で割ることによって決定される。ＨＤ設計を使用する正方形の数は、標準的な構造を使用する同様の寸法のセル内に存在する正方形の数の約２分の１である。たとえば、本出願の正方形の数は、概して３以下とすることができる。別の例では、例示的なカソード・コレクタ１０１６の形状が正方形、または概して正方形の形状に近づくので、本出願の正方形の数は概して１に等しく、または少なくとも１に近づく。したがって、たとえば、所与の寸法の標準的な構造のセルは通常、約５０〜７０オームのコレクタ抵抗を示すのに対し、新しい設計を使用する同じ寸法のＨＤセルは、約２０〜４０オームの低減されたコレクタ抵抗を示すはずである。
【００７１】
ＨＤ設計の動作についてさらに説明するために、抵抗のサンプル計算を提供する。元の設計（図１〜４参照）では、カソード・コレクタ１３１は厚さ約０．００１ｉｎおよび高さ約１．８ｉｎであり、またその最も狭い幅は０．５４ｉｎであり、したがって正方形の数は１．８／０．５４＝３．３である。炭素インクが厚さ１ミルで約２０オーム／スクエアの抵抗率を有するものとすると、その理論上の抵抗は約６６オームである。ＨＤ設計では、厚さ約〜０．００１ｉｎのコレクタ１０１６は、長さ１．８ｉｎであり、またその幅は１．２ｉｎであり、したがって正方形の数は１．５（すなわち、１．８／１．２＝１．５）に等しい。これらの正方形に１ミルで約〜２０オーム／スクエアのインク抵抗率を掛けると、理論上の抵抗は約３０オームになる。したがって、理解できるように、コレクタ１０１６の幅を増大させて実質上長さに等しくすることによって、理論上の抵抗をさらに低減させることができる。たとえば、コレクタ１０１６の幅を１．２ｉｎから約１．８ｉｎまで増大させると、正方形の数は概して１（すなわち、１．８／１．８＝１）に等しくなる。この正方形に１ミルで約〜２０オーム／スクエアのインク抵抗率を掛けると、理論上の抵抗は約２０オームになるはずである。
【００７２】
カソード・コレクタ１０１６が概して非直線の幾何形状を有するような別の例では、幅が最も狭いところのコレクタ長さをコレクタ領域の最も狭い幅で割ることによって、理論上の抵抗を同様に決定することができる。しかし、概して非直線の幾何形状が使用される場合、長さおよび幅は、それぞれ実効的な長さおよび実効的な幅によって決定することができる。たとえば、実効的な長さまたは幅を平均長さもしくは幅とすることができ、または概して直線の幾何形状の長さおよび幅の寸法に近似できる他の数学的に調整された長さおよび幅とすることができる。したがって、非直線コレクタの理論上の抵抗は、正方形の数が一例では概して３以下になるように、または別の例では概して１になるように、もしくは１に近づくように、実効的な長さおよび実効的な幅を調整することによって低減させることができる。
【００７３】
次に図８〜１１では、ＨＤ設計を使用する薄型電気化学セルの性能上の利点をさらに実証する４つのグラフが提供される。図８〜１０の３つのグラフは、室温での平均連続放電曲線を示す。従来技術の電気化学セル（すなわち、「ｃｏｎｔｒｏｌ」）の室温での平均連続放電曲線を、ＨＤ設計の薄型電気化学セル（すなわち、「ＨＤ設計」）と比較して示す。なお、図８〜１０のグラフは、試験当たり３つのセル平均に基づく。各グラフは、様々な例示的な負荷（すなわち、４７５オーム、８８０オーム、および２２００オーム）に対する平均連続放電を示す。グラフによって実証されるように、ＨＤ設計は、放電曲線の早い部分全体にわたって比較的高い初期閉回路電圧（ＣＣＶ）を提供し、より高い電圧カットオフに対してより多くの放電時間を可能にする。これは、標準的な共平面セルが、カソード領域がより大きいためＨＤセルより約１５％〜２０％多い容量を有することができるにもかかわらず発生する（すなわち、図８〜９参照）。この利点は、放電電流がより大きくなるにつれて、ＨＤ構造にとってより大きくなる。図１１の第４のグラフは、試験当たり５つのセルの平均ＣＣＶ（２秒間の長さのパルス上のボルト単位）を、平均パルス電流（ミリアンペア単位）と比較して示す。どちらも、ＨＤ設計の電気化学セルでは電流がより大きくなるにつれてパルス電圧の改善がより大きくなることを実証し、裏付ける。これらのグラフはＨＤ設計の例示的な性能のみを示すこと、そしてＨＤ設計セルは様々な他の性能特性、値などを有することができることを理解されたい。
【００７４】
ＨＤ共平面設計の性能特性は、大電流用途の標準的な共平面構造のものより良好な可能性がある。さらに、ＨＤ設計は、共面構造の性能レベルに近づく性能を提供することができ、一方、その製造性は標準的な共平面構造の製造性に類似したものとすることができる。さらに、ＨＤ設計は、既存の方法および機器を使用して作製することができる。
【００７５】
セル／電池の製造プロセスをより効率的なものとし、および／またはさらなる規模の経済性を実現するには、高速で低コストの生産を提供するために、オープンリール式（ｒｅｅｌ−ｔｏ−ｒｅｅｌ）の印刷プロセスで概して連続するウェブを使用してセル／電池を製造することができる。例示的な製造手順を図１２のフローチャートに示し、以下の段落で説明する。この例示的な手順では、セル／電池は、ロールトゥーロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）機構を動作する高速印刷機に適合している多数のステーションの中を進む。本明細書ではさらに説明しないが、この処理および組立てを、電子構成要素（たとえば、電池またはセルによって電力供給されるもの）の製造に統合することができる。
【００７６】
利用可能な印刷機によれば、たとえば所与の印刷機上の１回の通過で、または複数の通過で、セルを作製することができる。様々な図面は、一例として、ウェブ上に２列の個々のセルを示すが、列の数は、ユニット・セルの寸法および印刷機が処理できる最大ウェブ幅にのみ制限される。多数のステップが存在することがあり、それによって長くかつ複雑な印刷機を利用できる可能性が高いので、これらのステップの一部ならびに材料の一部を修正することができ、および／または１つもしくは複数の印刷機の複数の通過を使用することができる。いくつかの修正されたプロセスの概要を、最初の議論が完了した後に示す。さらに、印刷ステップのいくつかまたはすべては、フラット・ベッド・スクリーンまたさらには回転スクリーン・ステーションなどのスクリーン印刷によって実行することができる。さらに、１１個以上のステーションを有する１つの印刷機を見出し、および／または動作するのは困難なことがあり、したがってプロセスについての以下の議論は、１つもしくは複数の印刷機、またさらには１つの印刷機の複数の通過に関して生じうることが当業者には理解されるであろう。
【００７７】
但し、図１２に示すようにセル／電池を処理する前に、様々な任意選択の動作を行っても行わなくてもよい。たとえば、任意選択の動作は、ウェブの熱安定化とグラフィック印刷（ロゴ、コンタクト極性、印刷コード、およびウェブの外側表面上の位置合わせマークの追加を含むことができる）の一方または両方を含むことができる。これらの任意選択の印刷動作がウェブ上で行われる場合、ウェブをひっくり返して、機能性インクを内側表面（すなわち、熱封止層）に印刷することができる。
【００７８】
多くの方法、材料、および動作シーケンスを使用できること、そして類似しているか、それとも異なるかにかかわらず、ある程度の数のステーションも利用できることが当業者には理解されるであろう。さらに、以下のプロセス８００を様々な他の統合された電子デバイスの製造にも利用できることを理解されたい。また、明瞭性のために、２列の電池についてのみ説明および図示するが、そのような説明は同様に他の列にも当てはまることを理解されたい。さらに、以下の要素のいくつかまたはすべては、本明細書全体にわたって記載の様々な材料、化学組成などのいずれかを含むことができることを理解されたい。さらに、図１２のプロセス８００に示す様々なステップは単に例示的なステップであり、これらのステップは、本明細書に記載の様々な他のステップ、代替ステップなどを含むことができることを理解されたい。これらのステップのいずれかまたはすべては、図１２に示すこれらの例示的なステップとは異なることがある。
【００７９】
図１２に示すように、統合プロセス８００は、熱安定させた第１の基板１００２から始めることができ、その上に、図１３〜１５に示す以下の例示的なプロセスに従って、セル／電池を構築することができる。第１の基板１００２は、裸のままとすることができ、または複数の完成したもしくは部分的に完成した電気構成要素をその上に有することができる。以下のステップについて、第１の基板１００２が遭遇する様々な「ステーション」を参照して論じるが、これらの「ステーション」は、個別のステーションおよび／またはステップを必要としてもしなくてもよいこと、そして１つもしくは複数の機械によって、および／またさらには手動で、「ステーション」および／またはステップのいずれかまたはすべてを実行できることを理解されたい。さらに、様々な「ステーション」および／またはステップのいずれかまたはすべてを組み合わせること、および／またさらには同時に実行することもできる。
【００８０】
図１３に移ると、プロセス８００は、第１の基板（熱封止表面）１００２の第１の側に導電性の高い炭素インクでカソード・コレクタ１０１６を印刷する第１の印刷ステーション３００１での第１のステップ８０２を含む。図示のように、アノードが最終的にはコンタクト端部で通過する領域は印刷されない。
【００８１】
カソード・コレクタ１０１６は、ミシガン州ポートヒューロンのＡｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ製のような導電性の高い炭素インク（たとえば、ＰＭ０２４）などの様々な材料を含むことができる。カソード・コレクタ１０１６は、スクリーン印刷などの民生用の手段によって、たとえば約１ミル（それぞれ約０．８〜１．２ミル）の乾燥蒸着を可能にするように約６１メッシュ（いくつかの実施形態では約２０〜１００メッシュ）の非常に粗いスクリーンを使用して、下部積層１００２上に印刷することができる。したがって、本明細書で前に論じたように、寸法約２ｉｎ×２ｉｎのセルは約２０〜４０オームの抵抗を有するはずである。
【００８２】
次に、第２のステーション３００２でのステップ８０４では、カソード・コレクタ１０１６の一部分上に銀の電池コンタクト１００８を印刷することができる。たとえば、コンタクト１００８の位置は、後のステップで最終的に提供されたときスペーサ１０２０の外側になるように、負コンタクト１０１０（図５参照）の片側または両側の延長領域１００６内に位置決めすることができる。高ドレインの応用例では、銀製の電池正コンタクト１００８を利用して、完成したＨＤセル１０００と電力供給すべき電子デバイスとを電気的に結合することができる。さらに、カソード・コレクタ１０１６上に様々な他のコンタクト（図示せず）を備え、様々な他の電気的接続点を提供することもできる。この例示的な構造で使用される材料は、ミシガン州ポートヒューロンのＡｃｈｅｓｏｎ  Ｃｏｌｌｏｉｄｓ製の、スクリーン印刷できる銀で充填された導電性インク（ＳＳ４７９）である。許容できる実施形態では、他の材料とともに、金、スズ、銅、ニッケル、および／または２つ以上の導電性材料の混合物などの他の使用可能な導電性コンタクト材料を使用することもできる。これらの導電性インクのいずれかを、たとえば回転スクリーン、フレキソ印刷、およびグラビア印刷などの印刷方法を用いて、ならびにたとえばインク・ジェット印刷技法で塗布することができる。さらに、インク・カソード・コレクタを印刷する代わりに、黒鉛および／または導電性樹脂、電気化学親和性金属、および黒鉛の１つもしくは複数を含む混合物からなる製造された箔を挿入および使用することができる。非常に低い電流だけが使用される応用例では、導電性の高い正コンタクトを利用しないことがあり、および／または多少大きな電流が望ましい場合には、導電性の高いコンタクトとして炭素回路コンタクトを代わりに使用することができる。
【００８３】
次に、第３のステーション３００３のステップ８０６では、アノード層１０１４が最終的にはその上を覆うカソード・コレクタ１０１６上で、第１の基板１００２の第１の側に誘電体材料１０１８のストリップが印刷される。カソード・コレクタ１０１６からのアノード１０１４の完全な絶縁を容易にするために、誘電体材料１０１８は、両端でコレクタ１０１６を越えて延びるべきである。印刷されるものとして説明したが、誘電体層１０１８はまた、適切な材料を有する積層連続ストリップとすることもできる。絶縁層１０１８は、ポリ塩化ビニル、ポリエステルなどの様々な誘電体または電気的に中性の材料、および／または感熱封止剤、ＵＶ硬化封止剤などの様々な接着剤、および／または両面ＰＳＡテープを含むことができる。
【００８４】
次に、図１３に示す第４のステーション３００４でのステップ８０８で、亜鉛箔／ＰＳＡ積層１０１４の連続ストリップが誘電体層１０１８上に積層される。厚さ約０．００２ｉｎの亜鉛箔および厚さ約０．００２ｉｎのＰＳＡフィルムから構成されるアセンブリなどの様々な材料を使用することができる。アノード積層１０１４を誘電体層１０１８に積層する直前に、剥離ライナを除去することができる。したがって、前記誘電体層１０１８によって、ならびにＰＳＡ層によって、アノード層１０１４を前記カソード・コレクタ層１０１６から絶縁することができる。さらに、ＰＳＡ層が使用されないこともあることを理解されたい。別法として、亜鉛アノードを誘電体上に印刷することもできる。
【００８５】
図５に示す電池の例示的な実施形態では、積層とすることができる（またたとえば、可能な寸法が約１．７５ｉｎ×０．２０ｉｎ×０．００２ｉｎの）事前に切断したアノード・ストリップ箔が、下部基板上に、カソード・コレクタ／カソードのアセンブリに隣接して、このアセンブリから約０．０５０ｉｎ（約０．０１０ｉｎ〜０．１００ｉｎ）の間隙で挿入される。挿入前に、この厚さ２ミルの電池グレードの亜鉛箔を、オハイオ州ストウのＭｏｒｇａｎ  Ａｄｈｅｓｉｖｅ  Ｃｏ．製の＃２１８０、ＩＢ１１９０、またはＩＢ２１３０などの剥離ライナを有する乾燥フィルム接着剤に積層することができる。この積層が完成した後、たとえば広い亜鉛ロール（たとえば、幅約３〜１２ｉｎ）上でこの積層構造を細長く切り、約１平方インチのカソード・セルに対して幅約０．２００ｉｎ（約０．１７０ｉｎ〜０．２３０ｉｎ）の狭いロールにすることができる。他の寸法のカソードを有するセルは、アノード積層に対して異なるスリット幅を利用することができる。別の構造では、たとえば、亜鉛箔ストリップを塗布する前に、印刷された接着剤を誘電体上に積層することができる。さらに、他の例では、印刷プロセスによってアノードを提供することができる。たとえば、幅約０．２０ｉｎおよび厚さ約０．００２ｉｎ（約０．０００３〜０．００５ｉｎ）のアノードを印刷することができるが、様々な他の幅および厚さも企図される。さらに、印刷されたアノードの導電性をさらに高めるために、アノードの下に、導電性パターンなどのアノード・コレクタ（図示せず）を印刷することができる。
【００８６】
次に、第５のステーション３００５でのステップ８１０では、フレーム封止剤を、「ピクチャ・フレーム１０９０」の形状でセルの周囲に印刷することができる。フレーム封止剤は、Ａｃｈｅｓｏｎ  ＣｏｌｌｏｉｄｓのＰＭ０４０などの接着剤とすることができる。フレーム封止剤は、亜鉛アノード１０１４の上に、封止領域内のカソード・コレクタ１０１６に隣接して、またさらにはカソード・コレクタ１０１６を覆って提供することができる。フレーム封止剤は通常、電池セルの内部体積を画定する内側空間の境界を示すことができる。
【００８７】
次に、第６のステーション３００６でのステップ８１２では、カソード・コレクタ１０１６の一部を覆って、複数のカソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂをスクリーン印刷することができる。例示的な実施形態では、カソード層１０１２Ａ、１０１２Ｂは、事前に印刷して乾燥させたカソード・コレクタ層１０１６の一部分上に水性インクで印刷することができる。水性インクは、たとえば、電池グレード二酸化マンガン約４３．４％（約２０％〜６０％）、ＫＳ−６黒鉛約１４．４％（約２％〜２５％）、約６．５％（約０．５％〜１５％）のポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）水溶液約２９．５％（約２０％〜６０％）、および脱イオンまたは蒸留水約９．６５％（約０．１％〜２０％）からなる湿潤組成を有する。そのようなインクは、約０．１０グラム／平方インチ（約０．０３〜０．２５ｇ／平方インチ）の公称乾燥規定重量を可能にするように、約４６メッシュ（約１０〜６５メッシュ）のファイバガラス・スクリーンで印刷することができる。乾燥印刷の量は通常、所望のセル容量によって、たとえばより大きな容量が望ましい場合はより多くの材料を使用することによって決まるはずである。より細かいメッシュ・スクリーンを複数回使用する代わりに、非常に粗いメッシュ・スクリーンを利用するこの従来とは異なる印刷方法を使用することによって、印刷ステーションの数を低減させることができ、またセル性能を増大させることができる。
【００８８】
この例示的な構造で使用されるカソード層（１０１２Ａ、１０１２Ｂ）材料は、たとえば、高純度電池グレードの電解二酸化マンガンを含む。本実施形態用の材料の粒径のレンジは、たとえば約１〜１００ミクロンであり、平均粒径は約４０ミクロンである。コレクタへの塗布を容易にするために材料がさらに微細であることが望ましい場合、材料を粉砕して約１〜２０ミクロンの粒径のレンジを実現することができ、望ましい場合、平均約４ミクロンとすることができる。対象の構造内で亜鉛アノードと一緒に使用できる他の使用可能な電気活性カソード材料は、たとえば、酸化銀Ａｇ２Ｏおよび／またはＡｇＯ、酸化水銀ＨｇＯ、酸化ニッケルＮｉＯＯＨ、酸素Ｏ２（たとえば、空気セルの形と同様）、ならびに酸化バナジウムＶＯ２である。異なるアノード材料とともに使用できるカソード材料は、たとえば、「ＣｄとＮｉＯＯＨ」、「ＡＢ２およびＡＢ３タイプの金属水素化物とＮｉＯＯＨ」、ならびに「ＦｅおよびＦＥＳ２とＮｉＯＯＨ」の１つまたは複数を含む。
【００８９】
例示的な実施形態のカソード層で使用される結合剤は、約９５０，０００グラム／モルを超える分子重量の大きな結合剤の種類を含む。使用できる１つのそのようなポリマーは、約Ｋ８５〜９５または約Ｋ１２０（分子重量がより大きい）のポリビニルピロリドンである。使用できる他の種類の材料は、以下の１つまたは複数を含む；ポリビニルアルコール、米、ジャガイモ、トウモロコシ、および豆類を含む澱粉および加工澱粉の種類、エチルおよびヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、ポリエチレンオキシド、ポリアクリアミド、ならびにこれらの材料の混合物。望ましい場合、テフロン溶液もしくは混合プロセス中にフィブリル化したテフロンを使用することから、またさらにはＤｏｗ  ＱＰ１００ＭＨなどのヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）溶液から、追加のまたは代替の結合を導出することもできる。
【００９０】
次に、第７のステーション３００７でのステップ８１４で、基板１００２よりわずかに狭くすることができる第３の基板ウェブ１０２０が、第１の基板１００２を覆って位置合わせして積層され、電池セル用の内側空間空胴、ならびにセル・コンタクト用の開口を形成するためのフレームを提供する。第３の基板１０２０は、電極の周囲に配置された「ピクチャ・フレーム」を形成し、「ピクチャ・フレーム」は通常、ＨＤ電気化学セル１０００の周辺部および事前に塗布された接着フレーム１０９０に沿って提供されたスペーサとすることができる。第３の基板ウェブ１０２０は、第１の基板１０２０を覆って積層することができ、ピクチャ・フレーム切取り１０２１はセルの活性成分の周囲で行われ、また切取り１０３２はセル・コンタクトに対して行われる。剥離ライナ（図示せず）を除去した後、第１の基板１０２０の第１の側に、第３の基板ウェブ１０２０の接着剤層１０２４を塗布することができる。さらに、ウェブとして示すが、第３の基板１０２０はまた、個別のシートなどの個別の要素として提供することもできる。
【００９１】
追加で、または別法として、フレーム封止剤をＰＳＡ層などの接着剤層とすることができる。第３の基板ウェブ１０２０を、前述のフレーム封止剤とともに、または独立して使用できることを理解されたい。したがって、接着フレーム１０９０および／または第３の基板ウェブ１０２０の一方または両方を使用して、電極の周りに別個のまたさらには同じ「ピクチャ・フレーム」を形成できることを理解されたい。実際には、接着フレーム１０９０および／または第３の基板ウェブ１０２０の一方または両方は、中間スペーサ層を形成することができる。通常、第３の基板ウェブ１０２０は、概してフレーム封止剤より比較的厚いので、スペーサとして利用することができる。
【００９２】
次に、第８のステーション３００８でのステップ８１６で、アノードおよびカソードの上に「紙セパレータ」１０２８または別のタイプの吸込み材料を挿入することができる。別法として、ピクチャ・フレームの内側にあるアノードおよびカソードを覆って、「澱粉インク」または電解質を流し込み、または印刷することもできる。図１４では、第７のステーション３００７および第８のステーション３００８を同じステーションで示すが、ステップ８１４および８１６を同時に、または様々な順序で順次実行できることを理解されたい。
【００９３】
次に、第９のステーション３００９でのステップ８１８で、紙セパレータが使用されるとき、カソード１０１２Ａ、１０１２Ｂおよび亜鉛アノード１０１４を覆って配置された紙セパレータ１０２８の上に、水性ＺｎＣｌ２電解質１０２６などの電解質が追加される。
【００９４】
ステップ８１８において紙セパレータが使用されないとき、代替の第９のステーション（図示せず）は代替の電解質構成を提供することができる。たとえば、電解質は、各ユニット・セルの内側領域上に追加される粘性液（流動性ゲルなど）の形で提供することができる。その流動性のため、電解質は通常均一に広がって、アノードおよびカソードを覆う。上記で参照した出願の液状電解質および紙セパレータの代わりに、印刷された電解質（たとえば、インクまたは流動性ゲルを使用）を使用することができる。
【００９５】
次に図１５を参照すると、第１０のステーション３０１０でのステップ８２０で、ピクチャ・フレーム（すなわち、第３の基板１０２０）の上に「上部カバー」として第２の基板１００４が追加される。このステーションでは、セルの構造をより明瞭にするために、３つのウェブがすべて同時に見られるように、スペーサ１０２０および上部カバー１００４を部分切欠図で示す。上部カバー１００４を塗布する前に、セル・コンタクトに対する開口１０４１がダイ・カットされ、したがって、この層を積層すると、基板１００２上の印刷されたセル／電池に位置合わせされ、またスペーサ１０２０によって、セル・コンタクトを見て回路接続できるようになる。この第２の基板１００４は、各セルを封止する。第２の基板１００４の封止は、スペーサ・ウェブ１０２０上の感圧接着剤層（すなわち、層１０２２）、および／または本願で前述した両面接着構成などの第２の基板１００４の底部側の熱封止層によって提供することができる。セルは、圧力および／または熱が加えられた後、セルの周囲で完全に封止される。この封止は、電池封止を形成する。
【００９６】
次に、第１１のステーション３０１１でのステップ８２２でまた、１つの電池の後縁部の線５００および電池コンタクト１００８、１０１０の上縁部の線５０１に沿って横方向に、ウェブ１００２、１０２０、および１００４からなる完成した積層アセンブリに穿孔することができる。回転ダイなどの様々な方法を使用して、一方または両方の穿孔を実行することができる。
【００９７】
次に、第１２のステーション３０１２でのステップ８２４で、各セルの２つの外側縁部で、３つのウェブ・アセンブリ（１００２、１０２０、および１００４）に切込み５０２を入れ、こうして完成したＨＤ電池１０００のロール４００を形成する。ロール４００の数は、ウェブ幅および各デバイスの幅などの様々な要因に応じて変動させることができることを理解されたい。ステップ３０１１で行われる穿孔のため、それぞれの回路に取り付けたとき、ロールに対して正しい寸法のセルを容易に取り出すことができる。
【００９８】
次に、最終のステップ８２６で（第１２のステーションとなりうるが図示せず）、保管、輸送などのため、完成したＨＤ電池１０００をロール４００上に巻き取ることができる。さらに、ＨＤ電池１０００を様々な他の方法で保管することができる。ＨＤセル１０００のエンド・ユーザに利用可能な別の選択肢（図示せず）は、ステーション３０１０からの完成したセルのロールからセルをダイ・カットし、よく使用されるマガジン形式などのアセンブリ向けに包装することである。
【００９９】
次に図１６を参照すると、概して連続するウェブ５００４を利用して、図１２〜１５に示す様々なステップの例示的な製造プロセス５０００の概略図を示す。本明細書で論じたように、基板１００２、１００４、１０２０のいずれかまたはすべてを、「オープンリール」式の製造プロセスで処理できる概して連続するウェブとして提供することができる。たとえば、第１の基板１００２は、ソース・ステーション５００２から概して連続するウェブ５００４として提供することができる。ソース・ステーション５００２は、ソース・ロール（ｓｏｕｒｃｅ ｒｏｌｌ）などとすることができる。次いで、たとえば、前記カソード層を提供するステップ、前記アノード層を提供するステップなどの様々な処理ステップのいくつかまたはすべてを、概して連続するウェブ５００４に印刷ステーション５００８を通過させることによって実行することができる。単一の印刷ステーション５００８だけを示すが、複数の印刷ステーションを利用できることを理解されたい。追加で、または別法として、図示しないが、プロセス５０００は、ウェブ５００４に印刷ステーション５００８を複数回通過させるように適合することができる。最後に、概して連続するウェブ５００４上の完成したＨＤ電池１０００を、巻取りステーション５０１０で収集することができる。巻取りステーション５０１０は、本願で前述したロール４００などの収集ロールを含むことができる。
【０１００】
製造プロセス５０００は、様々な他の段、ステップなどを含むことができる。たとえば、印刷ステーション５００８の前に、ウェブ５００４は、様々な電子構成要素を備えた補助ステーション５００６を通過することができる。さらに、様々な層、基板などのいずれかまたはすべてを、プロセスに沿って予備ロールによって提供することができる。たとえば、第３の基板１０２０（すなわち、スペーサ層）は、第１の予備ロール５０１２によって、予備ウェブ５０１４を介して提供することができる。別の例では、第３の基板１０２０も同様に、第２の予備ロール５０１６によって、別の予備ウェブ５０１８を介して提供することができる。印刷ステーション５００８の先頭付近に図示したが、予備ウェブ５０１４、５０１８のいずれかまたは両者を、製造プロセス５０００に沿って様々な位置に提供できることを理解されたい。追加で、または別法として、剥離層などの廃棄物を廃棄物ウェブ５０２０として除去し、廃棄物ロール５０２２によって巻き取ることができる。様々な他の前処理および／または後処理ステーション、ステップなどを含むこともできる。記載したプロセス５０００の様々なステーション、ロールなどは様々な順序で利用でき、また追加の機器（たとえば、アイドラ・ローラ、張力ローラ、ターンバー、切込み、または穿孔器など）をさらに提供して「オープンリール」式のプロセスを容易にできることを理解されたい。
【０１０１】
様々な他の追加のステップ（図示せず）を利用して、完成したＨＤ電池セル１０００に追加の構造、特徴などを提供することができる。一例では、第２の基板１００４の「上部カバー」などのデバイス１０００の外側部分に、ＨＤ電池セル１０００を別の物体、表面などに取り付ける方法を提供することができる。たとえば、第２の基板１００４は、感圧接着剤、別の接着層、マジックテープ式の留め具、液状または熱溶融接着剤などを含むことができる。別の例では、第２の基板１００４の「上部カバー」などのＨＤ電池セル１０００の外側部分に、印刷された印またさらにはラベルなどを提供することができる。
【０１０２】
印刷された可撓性薄型電池には多くの潜在的な用途があり、例として、以下の一般的な範疇の１つまたは複数を含むことができる。
１．ＲＦＩＤアセンブリ
２．広告および販売促進
３．玩具、ノベルティ商品、書籍、グリーティング・カード、およびゲーム
４．在庫追跡および制御（スマートＲＦＩＤタグなど）
５．セキュリティ・タグ
６．温度、湿度などの状態表示器
７．薬物送達、創傷治癒、疼痛管理、および／または化粧品を目的としてイオン導入または他の電気的機能を適用する皮膚パッチ、ならびに
８．スマートオムツ、失禁用製品などの健康管理用品
【０１０３】
具体的な実施例および実施形態を使用して、本発明を上述したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な代替形態を使用でき、また本明細書に記載の要素および／またはステップを均等物に置き換えることができることは、当業者に理解されるはずである。本発明を特定の状況に、または特定の要求に適合させるために、本発明の範囲から逸脱しない範囲で修正を行ってもよい。本発明は、本明細書に記載の具体的な実装形態および実施形態に限定されるものではなく、文言上または均等上（均等物の開示の有無を問わず）の観点からすべての実施形態をカバーするように特許請求の範囲には最も広い解釈が与えられるものとする。
【符号の説明】
【０１０４】
１０００・・・セル、ＨＤセル、電気化学セル、電池、ＨＤ電池
１００２・・・第１の基板、下部積層フィルム基板、下部基板
１００４・・・第２の基板、上部積層フィルム基板
１０１２Ａ、１０１２Ｂ・・・カソード層、カソード
１０１４・・・アノード層、アノード
１０１６・・・カソード・コレクタ、カソード・コレクタ層
１０１８・・・誘電体層、絶縁誘電体層、絶縁層、絶縁体
１０１９・・・感圧接着剤、ＰＳＡ層
１０２０・・・ピクチャ・フレーム、フレーム、第３の基板、スペーサ層
２０００・・・セル、ＨＤセル
２０１０・・・アノード
２０１２Ａ、２０１２Ｂ・・・カソード
２０１８・・・誘電体
【図１】
0005466175.tif 000002
【図２】
0005466175.tif 000003
【図３】
0005466175.tif 000004
【図４】
0005466175.tif 000005
【図５】
0005466175.tif 000006
【図６】
0005466175.tif 000007
【図７】
0005466175.tif 000008
【図８】
0005466175.tif 000009
【図９】
0005466175.tif 000010
【図１０】
0005466175.tif 000011
【図１１】
0005466175.tif 000012
【図１２】
0005466175.tif 000013
【図１３】
0005466175.tif 000014
【図１４】
0005466175.tif 000015
【図１５】
0005466175.tif 000016
【図１６】
0005466175.tif 000017