(57)【要約】印刷電池（１０）は、可撓性バッキングシート（１２）と、前記シート（１２）上に印刷された第１の伝導層（１４）と、第１の伝導層（１４）上に印刷された第１の電極層（１６）と、前記第１の電極層（１６）上に印刷された第２の電極層（１８）と、前記第２の電極層（１８）上に印刷された第２の伝導層（２０）とを備える。
2005527093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性バッキングシートと、
前記シート上に印刷された第１の伝導層と、
前記第１の伝導層上に印刷された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に印刷された第２の電極層と、
前記第２の電極層上に印刷された第２の伝導層と、
を含む印刷電池。
【請求項２】
前記バッキングシートが多孔質または非多孔質の材料である請求項１の電池。
【請求項３】
前記シートが、紙またはプラスチックシートからなる群より選択される請求項２の電池。
【請求項４】
前記プラスチックシートが、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルフィド、ポリストリエン（polystryene）、ポリ塩化ビニル、ならびにセルロースおよびその誘導体からなる群より選択される請求項３の電池。
【請求項５】
印刷が、スクリーン印刷、パッド印刷、ステンシル印刷、オフセット印刷、および／またはジェット印刷からなる群より選択される請求項１の電池。
【請求項６】
前記伝導層および前記電極層のそれぞれが、アクリル、アルキド、アルギン酸塩、ラテックス、ポリウレタン、アマニ油、または炭化水素のエマルジョンからなる群より選択されるベースを有するインクを使用して印刷される請求項１の電池。
【請求項７】
一方の前記電極がアノードであり、他方の前記電極がカソードであり、前記アノードが、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、およびリチウムからなる群より選択される活性材料を有し、前記カソードが、二酸化マンガン、酸化水銀、酸化銀、またはその他の電気活性酸化物からなる群より選択される材料を有する請求項１の電池。
【請求項８】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に挿入される電解質層をさらに含む請求項１の電池。
【請求項９】
前記電解質層がバインダーおよび電解質から実質的になる請求項８の電池。
【請求項１０】
第１の伝導層を可撓性バッキングシート上に印刷するステップと、
第１の電極層を前記第１の伝導層上に印刷するステップと、
第２の電極層を第２の伝導層上に印刷するステップと、
第２の伝導層を前記第２の電極層上に印刷するステップとを含む、印刷電池の製造方法。
【請求項１１】
次の層を印刷する前に、各層を湾曲させるステップをさらに含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
湾曲させるステップが乾燥を含む請求項１１の方法。
【請求項１３】
乾燥が強制熱風の使用を含む請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記第２の電極層を印刷する前に、電極層を前記第１の電極層上に印刷するステップをさらに含む請求項１０の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全ての能動素子が印刷されている薄くて可撓性のある電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
全てでなく一部の素子が印刷されている薄くて可撓性のある電池が知られている。例えば、米国特許第５，６５２，０４３号明細書では、薄くて可撓性のある電池が、一部の素子を印刷することによって作製されている。この電池は、水性電解質層の一部として多孔質不溶性物質が必要となるので、完全には印刷されていない。この水性電解質層は、潮解性材料、電極を電解質層に結合させるための電気活性可溶性材料および接着剤（または水溶性ポリマー）、ならびに上記の多孔質不溶性物質を含む。多孔質不溶性物質は、濾紙、プラスチック膜、セルロース膜、および布として記載されている。次に、負極および正極が、電解質層のいずれかの側の上に印刷される。グラファイト紙またはカーボン布の伝導層を、電解質の上に加えることができる。印刷によって適用される端子を電池に組み込むことができる。
【０００３】
米国特許第５，０１９，４６７号明細書には、可撓性絶縁材料、正の集電層、正の活性層、固体高分子電解質層、およびアノードとしての薄い金属フィルム層を含む可撓性電池が開示されている。この電池においては、正の集電層、正の活性層、および固体ポリマー電解質層が、可撓性絶縁材料上にコーティングされる。薄い金属層は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、または無電解めっきによって形成される（すなわち、印刷されない）。
【０００４】
米国特許第５，７４７，１９１号明細書には、ポリマーフィルムインクを使用して、薄くて可撓性のある電池の伝導層（集電体）を形成することができると開示されている。しかしこの電池は、「ウェーブはんだ付けのような」方法によって形成されるアノード箔が必要である。
【０００５】
米国特許第５，５５８，９５７号明細書においては、薄くて可撓性のある電池には、集電体、ならびにアノード層およびカソード層を形成するために金属箔の使用が必要である。
【０００６】
比較的安価で、薄く、可撓性の低エネルギー密度電池が必要とされている。このような電池は、医薬品の経皮送達システム中に使用して、皮膚全体に薬物の拡散を促進するための追加の推進力を提供することができる。このような電池は、血糖値に関し、インスリンポンプの制御などの皮膚センサー中に使用することができる。これらの電池は、スマート（送信性）荷物タグ、ＩＤなどの電力供給に使用することができる。このような電池は、グリーティングカードなどのある種の目新しい装置の電力供給に使用することもできる。
【０００７】
したがって、比較的安価で、薄く、可撓性であり、使い捨ての低エネルギー密度電池が必要とされている。
【発明の開示】
【０００８】
印刷電池は、可撓性バッキングシートと、前記シート上に印刷された第１の伝導層と、前記第１の伝導層上に印刷された第１の伝導層と、前記第１の電極層上に印刷された第２の電極層と、前記第２の電極層上に印刷された第２の伝導層とを含む。
【０００９】
印刷電池の製造方法は、第１の伝導層を可撓性バッキングシート上に印刷するステップと、第１の電極層を前記第１の伝導層上に印刷するステップと、第２の電極層を第２の伝導層上に印刷するステップと、第２の伝導層を前記第２の電極層上に印刷するステップとを含む。
【００１０】
本発明を説明する目的で、現時点での好ましい形態の図面が示されるが、図面に示される厳密な配置および手段に本発明が限定されるものではないことを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面を参照すると、図面中の同様の符号は同様の要素を示しており、図１には、印刷電池１０の第１の実施形態が示されている。印刷電池１０は、可撓性基板１２を含む。第１の伝導層１４が基板１２上に印刷される。次に第１の電極層１６が第１の伝導層１４上に印刷される。次に第２の電極層１８が第１の電極層上に印刷される。最後に、第２の伝導層２０が第２の電極層１８上に印刷される。
【００１２】
図２には、印刷電池３０の第２の実施形態が示されている。セパレーター／電解質層３２が、第１の電極層１６と第２の電極層１８との間に印刷されていることを除けば、印刷電池３０は印刷電池１０と実質的に同じである。
【００１３】
本発明の印刷電池では、集電体または伝導層１４、２０、第１および第２の電極層１６、１８、ならびにセパレーター／電解質層３２が、それぞれ可撓性基板１２の上に印刷される。印刷とは、装置を使用してインクを表面に転写する工程のことである。印刷方法としては、スクリーン印刷、ステンシル印刷、パッド印刷、オフセット印刷、ジェット印刷、木版印刷、彫刻ロール印刷、フラットスクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、および熱転写型印刷が挙げられる。
【００１４】
印刷用インクは、粘稠性から半固体までの微粉砕粒子懸濁液である。この懸濁液は、乾性油または揮発性溶媒中に存在することができる。インクは、触媒、強制空気、または強制熱風などのあらゆる従来方法で乾燥される。乾性油としては、アマニ油、アルキド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド、ならびにその他の合成樹脂および炭化水素のエマルジョンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。好適なインクは、アクリルベース、アルキドベース、アルギン酸塩ベース、ラテックスベース、またはポリウレタンベースを有することができる。アクリル系インクが好ましい。これらのインク中で、活性材料（後述の微粉砕粒子）およびインクベースが混合される。例えば、伝導層中では、導電性炭素とインクベースとが混合される。好ましくは、この導電性炭素は、インクの少なくとも６０重量％であり、最も好ましくは少なくとも７５％である。好ましい炭素は、粒径が０．１μｍ以下である。
【００１５】
使用される電池化学反応は限定されない。代表的な化学反応としては、ルクランシェ（Ｌｅｃｌａｎｃｈｅ）（亜鉛−アノード、二酸化マンガン−カソード）、マグネシウム（Ｍｇ−アノード、ＭｎＯ2−カソード）、アルカリＭｎＯ2（Ｚｎ−アノード、ＭｎＯ2−カソード）、水銀（Ｚｎ−アノード、ＨｇＯ−カソード）、メルカド（Ｍｅｒｃａｄ）（Ｃｄ−アノード、Ａｇ2Ｏ−カソード）、およびＬｉ／ＭｎＯ2（Ｌｉ−アノード、ＭｎＯ2−カソード）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。アノード材料の粒子はインクベースに混入される。アノード活性材料は好ましくは、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、およびリチウムからなる群より選択される。アノード粒子は、インクの少なくとも８０重量％であり、好ましくは少なくとも９０％、および最も好ましくは少なくとも９５％である。アノードの粒径は好ましくは０．５μｍ以下である。カソード材料の粒子はインクベースに混入される。カソード活性材料は好ましくは、二酸化マンガン、酸化水銀、酸化銀、およびその他の電気活性酸化物からなる群より選択される。カソード粒子は、インクベースの少なくとも８０重量％であり、好ましくは少なくとも９０％であり、および最も好ましくは少なくとも９５％である。カソードの粒径は好ましくは０．５μｍ以下である。
【００１６】
電極の間にセパレーターを挿入することができる。セパレーターは、アノードとカソードとの間のイオン伝導を促進し、アノードをカソードから分離するために使用される。セパレーターは、電解質塩およびマトリックス材料を含む。周知のように、電解質塩は電池化学反応を選択することで決定される。マトリックス材料は、電極間のイオン伝導を過度に妨害してはならない。マトリックス材料は、多孔質であってもよいし、薄く印刷されてもよい。マトリックス材料としては、例えば、高充填水性アクリル樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＶＤＦコポリマー（例えば、ＰＶＤＦ：ＨＦＰ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、およびＰＡＮコポリマーが挙げられる。好ましいマトリックス材料は、乾燥によってポリマーコーティング／フィルム中が不連続となるため本質的に多孔質である高充填水性アクリル樹脂（硫酸カルシウムまたは炭酸カルシウムなど）である。充填剤は好ましくは、層の少なくとも８０重量％である。充填剤の粒径は好ましくは０．５μｍ以下である。
【００１７】
可撓性バッキングシートは、あらゆる透過性または不透過性物質であってよく、紙、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド（polyphenolynesulfide）、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレン）、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン（polyvinylidine chloride）、ならびにセルロースおよびその誘導体からなる群より選択することができる。
【００１８】
以下の実施例を参照すれば、本発明をよりよく理解できるであろう。
【実施例】
【００１９】
２ｃｍ×２ｃｍの表面加工した平滑なゴムパッドを使用して、標準的な事務用ボンド紙のシートおよびポリエステルフィルムのシート（それぞれのおよその厚さは約０．０７〜０．０８ｍｍである）に、２ｃｍ×２ｃｍのセルを印刷した。印刷原板の衝撃は、セル性能に関しては無視できるが、強制熱風（例えば、ヘアドライヤーによる）を使用して促進される乾燥時間には影響が生じる。３種類のインク懸濁液を調製した。最初に、伝導性インク懸濁液を調製した。この懸濁液は、アクリル系バインダー（ローム・アンド・ハース（Ｒｏｈｍ  ＆  Ｈａａｓ）ＨＡ−８アクリル系バインダー）中の７９重量％の伝導性炭素（粒径＜０．１μｍ）からなった。正極（カソード）インク懸濁液を調製した。この懸濁液は、アクリル系バインダー（ローム・アンド・ハースＨＡ−８アクリル系バインダー）中の９６＋重量％の二酸化マンガン（粒径＜０．４μｍ）からなった。負極（アノード）インク懸濁液を調製した。この懸濁液は、アクリル系バインダー（ローム・アンド・ハースＨＡ−８アクリル系バインダー）中の９６＋重量％の亜鉛粉末（粒径＜０．３μｍ）からなった。このセル全体の厚さ（ベースシートを含む）は約０．４ｍｍであった。このセルの「無負荷」電圧が約１．４ボルトであり、連続電流密度が約０．０９ｍＡ／ｃｍ2（この曲線は比較的直線的であり、平坦な放電曲線を有する）、容量が約２〜３ｍＡｈ／ｃｍ2であり、最大容量（２ミリ秒を越えて持続することはない）が約６ｍＡ／ｃｍ2であり、内部抵抗（ほぼ放電時）が３．７５〜５Ω／ｃｍ2であり、内部抵抗（０．１６ｍＡのドレーン率で最初に１分間使用し始めた時）が４Ωであった。
【００２０】
本発明の意図および本質的な特性から逸脱せずに本発明を具体化することができ、したがって、以上の明細書よりはむしろ、本発明の範囲を示している添付の請求項を参照すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】印刷電池の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】印刷電池の第２の実施形態を示す模式図である。
【図１】
2005527093.tif 000003
【図２】
2005527093.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月24日(2005.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性バッキングシートと、
前記シート上に印刷された第１の伝導層と、
前記第１の伝導層上に印刷された第１の電極層であって、粒径０．５μｍ以下の活性材料を含む第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に印刷された第２の電極層と、
前記第２の電極層上に印刷された第２の伝導層と
を含む印刷電池。
【請求項２】
前記バッキングシートが多孔質または非多孔質の材料である請求項１の電池。
【請求項３】
前記シートが、紙およびプラスチックシートからなる群より選択される請求項２の電池。
【請求項４】
前記プラスチックシートが、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルフィド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ならびにセルロースおよびその誘導体からなる群より選択される請求項３の電池。
【請求項５】
印刷が、スクリーン印刷、パッド印刷、ステンシル印刷、オフセット印刷、およびジェット印刷からなる群より選択される請求項１の電池。
【請求項６】
前記伝導層および前記電極層のそれぞれが、アクリル、アルキド、アルギン酸塩、ラテックス、ポリウレタン、アマニ油、および炭化水素のエマルジョンからなる群より選択されるベースを有するインクを使用して印刷される請求項１の電池。
【請求項７】
一方の前記電極がアノードであり、他方の前記電極がカソードであり、前記アノードが、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、およびリチウムからなる群より選択される活性材料を有し、前記カソードが、二酸化マンガン、酸化水銀、酸化銀、およびその他の電気活性酸化物からなる群より選択される材料を有する請求項１の電池。
【請求項８】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に挿入される電解質層をさらに含む請求項１の電池。
【請求項９】
前記電解質層が電解質塩およびマトリックス材料を含む請求項８の電池。
【請求項１０】
第１の伝導層を可撓性バッキングシート上に印刷するステップと、
粒径０．５μｍ以下の活性材料を含む第１の電極層を、前記第１の伝導層上に印刷するステップと、
第２の電極層を前記第１の電極層上に印刷するステップと、
第２の伝導層を前記第２の電極層上に印刷するステップと
を含む印刷電池の製造方法。
【請求項１１】
次の層を印刷する前に、各層を湾曲させるステップをさらに含む請求項１０の方法。
【請求項１２】
湾曲させるステップが乾燥を含む請求項１１の方法。
【請求項１３】
乾燥が強制熱風の使用を含む請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記第２の電極層を印刷する前に、電極層を前記第１の電極層上に印刷するステップをさらに含む請求項１０の方法。
【請求項１５】
前記第２の電極層が粒径０．５μｍ以下の活性材料を含む請求項１の電池。
【請求項１６】
前記第１の伝導層が粒径０．１μｍ以下の伝導性炭素を含む請求項１の電池。
【請求項１７】
前記第２の伝導層が粒径０．１μｍ以下の伝導性炭素を含む請求項１の電池。
【請求項１８】
紙、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルフィド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ならびにセルロースおよびその誘導体からなる群より選択される可撓性バッキングシートと、
前記シート上に印刷された第１の伝導層と、
前記第１の伝導層上に印刷された第１の電極層であって、粒径０．５μｍ以下の活性材料を含む第１の電極層と、
前記第１の電極層上に印刷された第２の電極層であって、粒径０．５μｍ以下の活性材料を含む第２の電極層と、
前記第２の電極層上に印刷された第２の伝導層と
を含む印刷電池であって、一方の前記電極層がアノードであり、他方の前記電極層がカソードであり、前記アノードが、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、およびリチウムからなる群より選択される活性材料を有し、前記カソードが、二酸化マンガン、酸化水銀、酸化銀、およびその他の電気活性酸化物からなる群より選択される材料を有する印刷電池。
【請求項１９】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に挿入される電解質層をさらに含む請求項１８の電池。
【請求項２０】
前記マトリックス材料が、高充填水性アクリル樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ＰＶＤＦコポリマー、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、およびＰＡＮコポリマーからなる群より選択される請求項９の電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
印刷電池は、可撓性バッキングシートと、前記シート上に印刷された第１の伝導層と、第１の伝導層上に印刷された第１の電極層と、前記第１の電極層上に印刷された第２の電極層と、前記第２の電極層上に印刷された第２の伝導層とを含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
印刷電池の製造方法は、第１の伝導層を可撓性バッキングシート上に印刷するステップと、第１の電極層を前記第１の伝導層上に印刷するステップと、第２の電極層を前記第１の電極層上に印刷するステップと、第２の伝導層を前記第２の電極層上に印刷するステップとを含む。
【国際調査報告】
2005527093.tif 000005