(57)【要約】【課題】  生体適合性電池をめっきしたカソード化学物質で形成するための設計、方策及び方法を提供すること。【解決手段】  いくつかの例では、超小型電池に組み立てる前に、電解二酸化マンガンをカソード集電体上にめっきすることができる。いくつかの例において、電着カソードを有する生体適合性電池は、生物医学的装置において使用され得る。いくつかの更なる例において、電着カソードを有する生体適合性電池は、コンタクトレンズにおいて使用され得る。【選択図】  図１Ａ
2018067542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気活性構成要素と、
電池であって、
アノード集電体、
カソード集電体、
アノード、及び
カソードであって、電着カソード化学物質を含む、カソードを含む、電池と、
第１の生体適合性封入層であって、少なくとも前記電気活性構成要素及び前記電池を封入する、第１の生体適合性封入層と、を備える、生物医学的装置。
【請求項２】
前記カソードは、前記カソード化学物質が電着された炭素布を含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項３】
前記カソードが、電解二酸化マンガンを含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項４】
前記カソード集電体が、チタンを含み、前記電解二酸化マンガンが、前記チタンの第１の表面上にめっきされている、請求項３に記載の生物医学的装置。
【請求項５】
前記電解二酸化マンガンが、前記チタンの第２の表面上にめっきされている、請求項４に記載の生物医学的装置。
【請求項６】
前記アノードが、亜鉛を含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項７】
アノード化学物質が、電着亜鉛を含む、請求項６に記載の生物医学的装置。
【請求項８】
電解質を更に含み、前記電解質が、
ＮＨ４Ｃｌ、ＺｎＣｌ２、及びＨ２Ｏを含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項９】
カソード化学物質を前記カソード上に電着するために使用されるめっき浴が、ＭｎＳＯ４及びＨ２ＳＯ４を含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項１０】
前記カソード上に堆積されたカソード化学物質の膜の厚さは、深さがおよそ１０マイクロメートルである、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項１１】
前記カソード上に堆積されたカソード化学物質の膜の厚さは、深さがおよそ１００マイクロメートル未満である、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項１２】
前記カソード上に堆積されたカソード化学物質の膜の厚さは、深さがおよそ５００マイクロメートル未満である、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項１３】
セパレータを更に含み、前記セパレータが、ミクロフィブリル化された微多孔性のポリエチレン単層を含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
【請求項１４】
前記生物医学的装置が、眼科用装置である、請求項３に記載の生物医学的装置。
【請求項１５】
前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、請求項１４に記載の生物医学的装置。
【請求項１６】
電池であって、
アノード集電体と、
アノードと、
カソード集電体であって、金属ワイヤである、カソード集電体と、
カソードと、を備え、前記カソード化学物質が、前記カソード集電体上に電着されている、電池。
【請求項１７】
電池であって、
アノード集電体であって、第１の端部で閉じられた第１の金属管である、アノード集電体と、
アノードであって、アノード化学物質が、前記第１の金属管内に収容されている、アノードと、
カソード集電体であって、ワイヤである、カソード集電体と、
前記第１の金属管に封止可能に接合する第１の封止面、及び前記カソード集電体に封止可能に接合する第２の封止面を有する、セラミックエンドキャップと、
カソードであって、カソード化学物質が、前記カソード集電体上に電着されている、カソードと、
前記第１の封止面と第１の金属管との間の間隙に位置付けられた封止材と、を備える、電池。
【請求項１８】
電池の製造方法であって、
カソード集電体を得ることと、
前記カソード集電体の前記表面を粗面化することと、
前記カソード集電体を、マンガン塩を含む化学浴中に配置することと、
めっき電極を前記化学浴中に配置することと、
前記カソード集電体及び前記めっき電極にわたって電位を確立することであって、前記電位が、前記カソード集電体上で二酸化マンガンの電気化学的堆積を引き起こす、確立することと、を含む、方法。
【請求項１９】
二酸化マンガンの前記電着の厚さが、およそ１００マイクロメートル未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記カソード集電体は、第１の方向の幅が１ミリメートル未満であり、前記方向が、二酸化マンガンの前記電着の前記厚さに対して直角である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記カソード集電体を、少なくともアノード、アノード集電体、セパレータ及び電解質と共に電着カソード化学物質を含めて組み立てることと、前記組立体を、周囲が封止される生体適合性材料中に封入することとを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記封入された組立体を生物医学的装置と共に配置することを更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記生物医学的装置が、眼科用装置である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／４０９，２１７号の利益を主張するものである。その内容は参照に依拠し、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
電池の生体適合性態様を、特に固体構造体でできている管状形態を形成することによって向上させる設計及び方法を、本明細書で説明する。いくつかの実施例では、生体適合性電池の使用分野は、エネルギーを必要とする任意の生体適合性装置又は製品を含み得る。
【背景技術】
【０００３】
近年、医療用装置の数及びそれらの機能が急速に発達し始めている。こうした医療用装置としては、例えば、埋め込み型ペースメーカー、生物学的機能の監視及び／又は検査を行うための電子ピル、活性成分を有する外科用装置、コンタクトレンズ、輸液ポンプ、及び神経刺激装置を挙げることができる。上記医療用装置の多くに対する追加機能及び性能の向上が理論上想定され、開発されている。しかしながら、理論上想定される追加機能を得るために、これらの装置の多くは、これらの装置の寸法及び形状に関する要件、並びに新たなエネルギー印加構成要素のエネルギー要件に適合する内蔵型のエネルギー印加手段を必要とする。
【０００４】
一部の医療用装置は、様々な機能を実行し、かつ多くの生体適合性及び／又は埋め込み型装置に組み込み可能な、半導体装置などの電気構成要素を含み得る。しかし、このような半導体構成要素はエネルギーを必要とするため、エネルギー印加素子も好ましくはこのような生体適合性装置に含めなくてはならない。生体適合性装置の比較的小さな寸法は、様々な機能を画定するために困難な環境を生じ得る。多くの実施例では、生体適合性装置内の半導体構成要素にエネルギー印加するための、安全で、信頼性が高く、小型で、かつ費用効率の高い手段を提供することが重要であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、生体適合性装置内、又は生体適合性装置上への埋め込みのために形成される生体適合性エネルギー印加素子であって、ミリメートル以下の大きさのエネルギー印加素子の構造体が、エネルギー印加素子の機能の向上をもたらす一方で、生体適合性を維持する、生体適合性エネルギー印加素子の必要性が存在する。
【０００６】
装置に給電するために使用されるかかるエネルギー印加素子の１つは、電池であり得る。生物医学的種類の用途において電池を使用する際に、電池の構造及び設計が、非常に小型の電池構成要素を収容することが重要であり得る。小さな寸法においては、生体適合性を維持するために小さな構成要素を有効な封止材を用いて組み立てて、一方でそれと同時に電池装置の効率を最適化することは難しい場合がある。マイクロスケールの電池構成要素、特にこのような電池のカソードを、前述した重要なパラメータを最大化する手法で設計かつ処理することが有用であり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、生体適合性エネルギー印加素子で用いる改善されたカソード処理及び設計を本明細書で開示する。
【０００８】
一態様によれば、本発明は、電池用の電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）正極活性電極型を対象とする。電気化学的エネルギー生産セルにおいて使用するための正極活性電極は、ＥＭＤの固体の凝集性及び接着性塊を導電性基材、特にチタン箔、ワイヤ又はメッシュ上に電着させて、その後、水で洗浄して浴の塩又は酸を除去することによって形成することができる。いくつかの例では、洗浄された電極は穏やかに乾燥され、次いで、最適なセル電解質で浸透されてもよく、又は洗浄された電極は、乾燥せずに最適な電解質中で液浸されてもよい。導電性基材は、適所に留置されてもよく、電気化学的エネルギー生産セル内の正極集電体として機能してもよい。ＥＭＤ堆積条件は、ＥＭＤの基材への高接着を提供するように、かつ最終セル内で可能な限り最高の電気化学的放電性能を有する構造を作り出すように設定することができる。
【０００９】
このような導電性基材上に堆積された固体ＥＭＤ正電極は、いくつかの理由から、非常に小さい電気化学的エネルギー生産セルの構築を容易にする。いくつかの例では、ＥＭＤをめっきするときに、堆積時間及び電流を測定することによって、正確に知られている量のＥＭＤが所定の電極に含められ得る。ＥＭＤのめっき効率は、通常、ＥＭＤの量に対するめっき時間と電流との間の相関を可能にする９８％を超え、これは以降、使用可能に利用され得る。
【００１０】
いくつかの例では、最終電極の形状は、主として、基材の形状、めっき時間及び電流によって決定され得る。ＥＭＤのめっきが実行可能である場合、電極の多くの形状が存在し得る。
【００１１】
いくつかの例では、ＥＭＤのめっきの利点は、このような電着電極の優れた一体性及び制御された形状とすることができる。このプロセスは、電極の電気化学セル容器への取付けを改善かつ容易にすることができる。更に、脱粒（shedding）又は隣接表面上の汚染（smearing）による材料の考えられる損失もまた最小化することができる。これらの種の改善は、最高の電気化学容量を提供することができ、一部の封止面の汚染による封止問題も回避することができ、これは向上した生体適合性を提供することができる。いくつかの例では、固体ＥＭＤ堆積物は、所望の電子抵抗率を呈することができ、これは、およそ１００オーム−ｃｍであり得る。電着ＥＭＤは、接触抵抗に寄与し得る最小化された粒子間ベースの接続が存在し得るために、同質量の非圧縮の又は軽度に圧縮されたＥＭＤ粉末よりもより導電性とすることができる。
【００１２】
電着ＥＭＤについての別の利点は、制限された厚さの固体ＥＭＤ電極が、カーボンブラック又はグラファイトなどの追加の導電性添加剤を必要とし得ないことであり得る。したがって、正極活物質に利用可能な容積は、ＥＭＤと導電性添加剤との混合物を含有する従来のＥＭＤ電極と比べて増大することができる。ＥＭＤに導電性添加剤を加える典型的な混合物は、１０〜１５％の炭素＋８５％〜９０％のＥＭＤを含有し得る。約２．２ｇ−ｃｍ−３である炭素又はグラファイトの密度は、エンベロープ密度として測定されとき、約３．４５ｇ−ｃｍ−３であるＥＭＤのものよりも実質的に小さいために、導電性添加剤を排除する利点は重要であり得る。注釈として、ＥＭＤの「真」密度は、４．２５ｇ−ｃｍ−３から理想の場合には５ｇ−ｃｍ−３までとすることができる。本明細書で使用するとき、エンベロープ密度とは、ＥＭＤの密度を測定するとき、細孔が固形物と共に密度測定に含まれることを意味する。このような細孔は空間を占有し、測定される容積に寄与するが、測定される重量には寄与しない。導電性添加剤を含有せず、かつ制限された厚さを有する固体ＥＭＤ電極は、様々な構成の薄型平面セルで、又は非常に小型のセルで効果的に利用することができる。
【００１３】
様々な例では、固体電着ＥＭＤ電極は、ルクランシェ、高塩化亜鉛、マグネシウム−ＭｎＯ２、アルカリ、リチウム及び他のものを含む様々なセルシステムで使用することができる。
【００１４】
１つの全般的側面には、電気活性構成要素と、生体適合性電池と、第１の封入層と、を含む生物医学的装置が含まれる。この態様における生体適合性電池は管状構造を含み、内部体積が空洞を形成している。第１の封入層は、少なくとも電気活性構成要素と生体適合性電池とを封入している。いくつかの例では、第１の封入層を用いてコンタクトレンズのスカートを規定する。スカートは、電気活性レンズの内部構成要素を、ユーザーの眼の表面と相互に作用するヒドロゲルの生体適合性層によって囲んでいる。いくつかの実施例では、電解質溶液の性質は、生物医学的装置の生体適合性の改善をもたらす。例えば、電解質溶液の組成は、典型的な電池の組成よりも、低い電解質濃度を有し得る。他の実施例において、電解質の組成は、非限定的な例における、涙液の組成などの、生物医学的装置が存在する生物学的環境を模倣し得る。
【００１５】
一態様によれば、本発明は生物医学的装置に関する。
【００１６】
生物医学的装置は、電気活性構成要素と、電池であって、アノード集電体と、カソード集電体と、アノードと、カソードと、管であって、アノード集電体に対して第１の進入、カソード集電体に対して第２の進入を伴うアノード及びカソードと、管とアノード集電体との間の第１の封止部と、管とカソード集電体との間の第２の封止部と、を封入する管と、を含む電池と、少なくとも電気活性構成要素及び電池を封入する第１の生体適合性封入層と、を含む。
【００１７】
別の態様によれば、本発明は電池に関する。電池は、アノード集電体であって、第１の端部で閉じている第１の金属管であるアノード集電体と、アノードであって、アノード化学物質が、第１の金属管内に収容されている、アノードと、カソード集電体であって、第２の端部で閉じている第２の金属管である、カソード集電体と、カソードであって、カソード化学物質が、第２の金属管内に収容されている、カソードと、第１の金属管に封止可能に接合する第１の封止面と第２の金属管に封止可能に接合する第２の封止面とを伴うセラミック管と、第１の封止面と第１の金属管との間の間隙に位置付けられた封止材と、を含んでいる。
【００１８】
更に別の態様によれば、本発明は電池に関する。電池は、アノード集電体であって、第１の端部で閉じている第１の金属管であるアノード集電体と、アノードであって、アノード化学物質が、第１の金属管内に収容されている、アノードと、カソード集電体であって、第２の端部で閉じている第２の金属管である、カソード集電体と、カソードであって、カソード化学物質が、第２の金属管内に収容されている、カソードと、第１の金属管に封止可能に接合する第１の封止面と第２の金属管に封止可能に接合する第２の封止面とを伴うガラス管と、第１の封止面と第１の金属管との間の間隙に位置付けられた封止材と、を含む。
【００１９】
更にまた別の態様によれば、本発明は電池に関する。電池は、アノード集電体であって、第１の端部で閉じている第１の金属管であるアノード集電体と、アノードであって、アノード化学物質が、第１の金属管内に収容されている、アノードと、カソード集電体であって、ワイヤである、カソード集電体と、第１の金属管に封止可能に接合する第１の封止面、及びカソード集電体に封止可能に接合する第２の封止面を伴う、セラミックエンドキャップと、カソードであって、カソード化学物質はカソード集電体上に堆積されているカソードと、第１の封止面と第１の金属管との間の間隙に位置付けられた封止材と、を含む。
【００２０】
更にもっと別の態様によれば、本発明は電池に関する。電池は、アノード集電体であって、第１の端部で閉じて第１の端部でドープされている第１の半導体管であるアノード集電体と、アノードであって、アノード化学物質が、第１の半導体管内に収容されている、アノードと、カソード集電体であって、第２の端部で閉じており、かつ第２の端部でドープされている第２の半導体管である、カソード集電体と、カソードであって、カソード化学物質はカソード集電体上に堆積されているカソードと、第１の半導体管と第２の半導体管との間の間隙に位置付けられた封止材と、を含む。
【００２１】
別の態様により、本発明は電池の製造方法に関する。本方法は、カソード集電管を得ることと、カソード集電管にカソード化学物質を充填することと、アノード集電管を得ることと、アノード集電管にアノード化学物質を充填することと、管形態のセラミック絶縁体部片を得ることと、管形態のセラミック絶縁体部片の各端部上に第１及び第２の封止面を形成することと、第１及び第２の封止面上に金属膜を蒸着させることと、カソード集電管の端部に、Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なナノ技術材料のナノフォイル（登録商標）の部片をコーティングすることと、第１及び第２の封止面上の金属膜にはんだペーストをコーティングすることと、カソード集電管を第１の封止面上にプッシュすることと、ナノフォイル（登録商標）材料を活性化させてカソード集電管と第１の封止面との間の界面で急速な温度上昇を起こし、はんだペーストを溶融させることと、を含む。
【００２２】
別の態様により、本発明は電池の製造方法に関する。本方法は、二酸化マンガン膜をチタン電極ワイヤ又は膜上に堆積させることを含む。一例では、二酸化マンガン膜は、チタン粗面上に化学的に堆積される。チタン粗面は、水性条件において溶解されたＭｎＳＯ４及びＨ２ＳＯ４を含む化学浴内に置かれる。この例において、ＭｎＳＯ４の濃度は、およそ１モルであり得る。コーティングされたカソード集電体は、記載されるような様々な形態の電池に組み立てられてもよい。電着は、およそ５０ｍｍ２の表面積をめっきするために、１９Ａ／ｍ２などの低電流密度によって特徴付けられる初期の遅い堆積速度などの堆積中の様々な速度で行われてもよい。その後の堆積は、例として６６及び１１２Ａ／ｍ２によって特徴付けられるものなどのより迅速な速度で実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】コンタクトレンズの典型的な適用と共にエネルギー印加素子の典型的な態様を例示する図である。
【図１Ｂ】コンタクトレンズの典型的な適用と共にエネルギー印加素子の典型的な態様を例示する図である。
【図２Ａ】管状電池設計における金属収容及び絶縁体構成要素を伴う典型的な管状形態を例示する図である。
【図２Ｂ】管状電池設計における金属収容及び絶縁体構成要素を伴う典型的な管状形態を例示する図である。
【図３】管状電池設計における互いに進入し合う金属収容及び絶縁体構成要素を伴う典型的な管状形態を例示する図である。
【図４】管状電池設計における金属エンドキャップ収容及び絶縁体構成要素を伴う典型的な管状形態を例示する図である。
【図５】共平面アノード及びカソード構成要素を伴う管状電池設計における絶縁体収容金属コンタクトを伴う典型的な管状形態を例示する図である。
【図６Ａ】本発明による管状ボディの構成を例示する図である。
【図６Ｂ】本発明による管状ボディの構成を例示する図である。
【図６Ｃ】本発明による管状ボディの構成を例示する図である。
【図６Ｄ】本発明による管状ボディの構成を例示する図である。
【図６Ｅ】本発明による管状ボディの構成を例示する図である。
【図６Ｆ】本発明による管状ボディの構成を例示する図である。
【図７】管状電池設計における典型的な封止された管状金属収容及び封止された絶縁ワイヤエンドキャップを例示する図である。
【図８】管状電池設計における典型的な封止された管状金属収容及び封止された絶縁ワイヤエンドキャップを例示する図である。
【図９】管状電池設計において共に溶接されたドープ半導体収容部片を伴う典型的な管状絶縁体形態を例示する図である。
【図１０Ａ】典型的な封止部の詳細図である。
【図１０Ｂ】はんだコーティングされた表面と箔の加熱を取り入れた構造を例示する図である。
【図１１】電着電極を用いることでの例示の電気結果を示す図である。
【図１２】電着カソードの例示の断面顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
生体適合性が向上した管状形態電池を形成する方法について本出願では開示する。以下の各項において、様々な実施例の詳細な説明が記載される。実施例の説明は、単なる例示的な実施形態に過ぎず、当業者には、様々な修正及び変更が明白であり得る。したがって、これらの実施例は、本発明の範囲を制限するものではない。いくつかの実施例では、こうした生体適合性電池は、生物の身体内で、又はこれに近接して使用するために設計され得る。
【００２５】
用語集
本説明及び以下の特許請求の範囲において、以下の定義が適用される様々な用語が使用され得る。
本明細書で使用するとき、「アノード」は、放電サイクル中に、そこを通って電流が、電池などの有極電気装置に流れ込む電極を指す。電流の方向は、典型的に、電子流の方向とは逆である。換言すれば、電子は、例えば、アノードから電気回路に流入する。本明細書で使用するとき、有極装置の同一の要素は、充電サイクル及び要素の電気めっきなどの他の事象中であっても、アノードと称され、標準定義は、この要素を異なって呼んでもよい。
【００２６】
電池は、本明細書で用いる場合、単一の電気化学セル又は多数の電気化学セルを好適に互いに接続したものからなり、所望の電圧又は電流を与える電気化学的電源を指す。セルは、一次（再充電不可）又は二次（再充電可能）セルであってもよい。
【００２７】
本明細書で使用するとき、「結合剤」は、機械的変形に対する弾性応答を呈することができ、他のエネルギー印加素子構成要素と化学的に適合するポリマーを指す。例えば、結合剤には、電気活性材料、電解質、ポリマーなどが含まれていてもよい。いくつかの例では、結合剤は、粒子及び／又は粒子に加えて液体を凝集体内に共に保持する物質を指してもよい。
【００２８】
本明細書で使用される場合、「生体適合性」とは、特定の用途において適切な宿主応答で機能する材料又は装置を指す。例えば、生体適合性装置は、生体系に毒性又は有害な影響を及ぼさない。
【００２９】
本明細書で使用するとき、「カソード」とは、電極を指し、放電サイクル中に、電流は、この電極を通って、電池などの有極電気装置から流れ出る。電流の方向は、典型的に、電子流の方向とは逆である。したがって、電子流は有極電気装置のカソードに流入し、例えば、接続された電気回路から流出する。本明細書で使用するとき、有極装置の同一の要素は、充電サイクル及び要素の電気めっきなどの他の事象中であってもカソードと称され、標準定義は、この要素を異なって呼んでもよい。
【００３０】
本明細書で使用するとき、「被覆（コーティング）」は、材料の薄型堆積物（薄い形態での材料の付着）を指す。いくつかの用途では、この用語は、堆積物が形成される基材の表面を実質的に被覆する、薄型堆積物を指す。他のより特定の用途では、この用語は、表面のより小さい領域内にある小さい薄型堆積物を説明するために使用されてよい。
【００３１】
本明細書で使用するとき、「電極」は、エネルギー源内の活物質を指し得る。例えば、電極は、アノード及びカソードの一方又は両方を含んでもよい。
【００３２】
本明細書で使用するとき、「エネルギー印加された」とは、電流を供給することができるか、又は内部に蓄積された電気的エネルギーを有することができる状態を指す。
【００３３】
本明細書で使用するとき、「エネルギー」とは、ある物理系が仕事をする能力のことを指す。エネルギー印加素子の多くの用途は、電気的作用を実行できる能力に関連するものであってよい。
【００３４】
本明細書で使用するとき、「エネルギー源」又は「エネルギー印加素子」又は「エネルギー印加装置」は、エネルギーを供給できるか、論理的装置又は電気的装置をエネルギー印加された状態にすることができる、任意の装置又は層を指す。エネルギー印加素子は、電池を含み得る。電池はアルカリ型セル化学物質から形成してもよく、また固体電池又はセットセル、例えば、水性アルカリ、水性酸、若しくは水性塩電解質化学物質、又は非水性化学物質、溶融塩化学物質、又は固体化学物質であってもよい。電池は、ドライセル（固定電解質）又はウェットセル（自由な液体電解質）タイプであってもよい。
【００３５】
本明細書で使用するとき、「充填剤」は、酸性電解質又はアルカリ性電解質のいずれとも反応しない、１つ又は２つ以上のエネルギー印加素子用セパレータを指す。全般的に、充填剤は以下のものを含んでいてもよい。実質的に水不溶性材料（例えばカーボンブラック）と、石炭ホコリと、黒鉛、金属酸化物及び水酸化物（例えば、シリコン、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、チタン、鉄、亜鉛、及びスズによるもの）と、金属炭酸塩（例えば、カルシウム及びマグネシウムによるもの）と、鉱物（例えば、雲母、モンモロロナイト、カオリナイト、アタパルジャイト、及びタルク）と、合成及び天然ゼオライト（例えばポルトランドセメント）と、沈殿金属ケイ酸塩（例えばケイ酸カルシウム）と、中空又は固体ポリマー又はガラス微小球、フレーク及びファイバなど。本明細書で使用するとき、「機能化」は、例えば、エネルギー印加、起動、又は制御などの機能を、層又は装置が実行できるようにすることを指す。
【００３６】
本明細書で使用するとき、「成形型」は、未硬化配合物（アンキュア・フォーミュレーション）から三次元の物体を形成するために使用され得る、剛性又は半剛性の物体を指す。いくつかの例示的な成形型は、互いに対向する場合、三次元の物体の構造を画定する２つの成形型部分を含む。
【００３７】
本明細書で使用するとき、「電力」は、単位時間当たりに行われる仕事、又は移送されるエネルギーを指す。
【００３８】
本明細書で使用するとき、「再充電可能」又は「再エネルギー印加可能」は、仕事をするためのより高い能力を有する状態へと復元される能力を指す。多くの使用は、特定の再度確立された期間、特定の率で、電流を流す能力で復元できることに関連し得る。
【００３９】
本明細書で使用するとき、「再エネルギー印加」又は「再充電」は、仕事をするためのより高い能力を有する状態へと復元することを指す。多くの場合、特定の再開された時間、特定の率で電流を流すことができる状態に装置を復元することに関連して用いられ得る。
【００４０】
本明細書で使用するとき、「離型させる」（「成形型から離型させる」と言われることもある）は、三次元の物体が成形型から完全に分離した状態、又は穏やかな振動によって取り外すことができるように、ほんの軽く成形型に取り付けられている状態、のいずれかであることを意味する。
【００４１】
本明細書で使用するとき、「積層された」は、少なくとも２成分層を、層のうちの１層の１つの面の少なくとも一部分が、第２の層の第１の面と接触するように、互いに近接して配置することを意味する。いくつかの実施例では、接着のためであれ、又は他の機能のためであれ、コーティングが２つの層の間に存在し、これらの層はそのコーティングを通じて互いに接触している。
【００４２】
本明細書で使用するとき、「トレース」は、回路構成要素を接続できるエネルギー印加素子構成要素を指す。例えば、回路トレースは、基板がプリント回路基板である場合、銅又は金を含むことができ、典型的には、フレックス回路内の銅、金、又は印刷された膜であり得る。特別なタイプのトレースは集電体である。集電体は、電気化学的適合性を伴うトレースである。その結果、集電体は、電気化学セルのカソード又はアノードとの間で電子を伝導する際に用いるのに適したものとなる。
【００４３】
本開示による電池を組み立てて構成する方法には他の例が存在する場合があり、そのうちのいくつかを以下の項に記載することができる。しかしながら、これら実施例の多くに関して、独自のものとして説明することができる、電池の選択されたパラメータ及び特徴が存在する。以下の項では、いくつかの特徴及びパラメータに焦点が当てられる。
【００４４】
電気化学的エネルギー生産セルは、概して、６つの基礎構成要素を備え、これらは、酸化剤を含有する正極、還元剤を含有する陰極、両方の電極の間に配設されたイオン伝導性電解質、正極と陰極との間に電子絶縁を提供するが、２つの電極間のイオンの自由な通過は可能にする透過性セパレータ、及び上述した構成要素を収容し、それらのセルからの脱出を防止し、また周囲環境からの液体、ガス及び蒸気の進入も防止するセル容器又はエンベロープである。それぞれの種々の例が本明細書で説明される。正電極を形成する様式に特定の焦点が当てられるであろう。電極への導電性内部接触部（「集電体」と呼ばれる）、導電性外部接触部（「端子」と呼ばれる）、脱気孔、及びラベル若しくは「ジャケット」などのセルの他の構成要素が必要に応じて存在してもよい。
【００４５】
いくつかの例では、正極は、様々な種類のＭｎＯ２を含んでもよい。地表から直接採掘された不純な天然ＭｎＯ２は、ルクランシェ及び一部のＺｎＣｌ２型などの低度技術のセルで使用されてもよい。より高度の性能については、プレミアムＺｎＣｌ２、アルカリ−ＭｎＯ２及びリチウムプライマリセル、「電解二酸化マンガン」若しくは「ＥＭＤ」と呼ばれる合成的に電着されたＭｎＯ２などの高度技術セルが、正極活物質として使用される。「リチウムイオン」セルについては、正極活物質は、ＬｉｘＭｎＯ２とすることができ、これは、ＥＭＤ粉末及びリチウム塩若しくは水酸化物から合成される。
【００４６】
ＥＭＤは、チタン電極（正に分極された）上のＭｎＳＯ４＋Ｈ２ＳＯ４の熱溶液からの電解析出によって商業上では製造される。グラファイト、銅又はステンレス鋼であってもよい対電極（負に分極された）は、電着プロセス中にＨ２ガスを放出する。ＥＭＤは、強靭な接着性の多孔質ブロックとしてチタン電極上に堆積する。いくつかの例では、電着から数週間後に、ＥＭＤのブロックは、チタンから採取されてもよい。いくつかの例では、木槌で打ち砕いて大きな塊を生じさせ、この塊が採集され、破砕され、粉砕され、洗浄され、中和され、また穏やかに乾燥されて、商用グレードのＥＭＤ粉末を製造することによって簡単に採取することができる。一部の商用製法では、洗浄、中和及び乾燥は、粉砕工程に先行してもよい。
【００４７】
多くの例では、商用ＥＭＤ粉末は、ＥＭＤ含有電池への第一歩である。どの電池システムが考慮されているかに無関係に、ＥＭＤ粉末は、導電性助剤（通常、カーボンブラック及び／又はグラファイト）、任意の結合剤、電解質及び他の添加剤と配合され、その後、正極に形成され得る。正極は、固体ディスク、タブレット又は円筒にプレスされてもよく、又はこれは、ペーストとして押し出されてもよく、あるいはこれは、スラリーで金属箔又は金属グリッド上にコーティングされてもよい。
【００４８】
このような粉末混合物、ペースト又はスラリーを利用する必要性は、非常に小さい正極、例えば、１００ｍｇ以下の正極活物質、更にわずか１０ｍｇ、１ｍｇ又は１ｍｇ未満のものと共に働くときに困難をもたらし得る。このような非常に少量の粉末、ペースト又はスラリーの配置は制御しにくい場合がある。形成された電極が、関与する小さい寸法に起因して組成、有孔率及び密度の均一性を欠く場合に負特性が存在する場合もある。単一電極中の活物質の総量を制御すること、又は正極活物質と正極集電体との間の良好な電気的接触を保証することも難しい場合もある。構成要素が定位置にあるときに捕らえられ得る小さい寸法のために、隣接する表面、特に封止面がかなりの量の活物質で汚染されることを回避することも難しい。更に、カーボンブラック又はグラファイトなどの導電性助剤を添加する必要性は、所定の容積内に含まれ得る活物質の量を必然的に減少させる。
【００４９】
本明細書に記載される本発明は、上述した制限の全てを回避又は最小化するために、電極形態の固体形態の電着を使用する。電極に直結するＥＭＤの電着は、二酸化マンガン正極を備えた非常に小さい電気化学的エネルギー生産セルを構築するための手段を提供する。いくつかの例では、稀な構成のセルもまた構築することができる。
【００５０】
正極における炭素導電性添加剤の排除のために、容積及び質量エネルギー密度が増加した通常寸法のセルも可能にすることができる。添加される炭素の排除はまた、ガス又は蒸気を環境に放出しない本当の意味での密封型セルの構築に役立つことができる、密封されたセルの保管中のＣＯ又はＣＯ２の発生の可能性も回避することができ、したがって、脱気孔を必要としない。それにもかかわらず、このような変化は、アノード側でのガス発生を変化させ得ない。ＥＭＤの堆積がその上で行われたチタン基材が、最終電気化学セルにおいて集電体としても作動するために、正極において別個の集電体を使用する必要もあり得ない。
【００５１】
ＥＭＤは、通常、堆積が好ましい条件下で行われるとき、このようなチタン基材に対する優れた接着性を有する。浴組成、時間、温度、及び電流密度などのＥＭＤ堆積条件は、変化かつ制御させることができ、チタン基材への高接着性及び最終電気化学セルにおける優れた電気化学的放電性能を供与するように選択することができる。いくつかの代替え的な例では、チタンに加えて、炭素、炭素充填プラスチック−導電性プラスチックとしても知られる、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオビウム、白金族金属のうちの１つ、又は他のものなどの他の基材が使用されてもよい。
【００５２】
生体適合性エネルギー印加素子を有する例示的な生物医学的装置の構成
本発明のエネルギー印加素子である電池を組み込むことができる生物医学的装置の例は、焦点を調節する電気活性のコンタクトレンズであり得る。図１Ａを参照すると、このようなコンタクトレンズのインサートの一例が、コンタクトレンズのインサート１００として図示され得る。このコンタクトレンズのインサート１００には、制御電圧に応答して焦点特性の変化を調整することができる電気活性素子１２０が存在し得る。こうした制御用電圧信号を提供し、かつ、外部制御信号の環境感知を制御するなどの他の機能も同様に提供する回路１０５は、生体適合性電池素子１１０によって給電されることができる。図１Ａに図示されるように、電池素子１１０は、複数の主要構成要素（この場合３個の構成要素）として見出すことができ、既に述べた電池化学素子の種々の構成を含んでいてよい。電池素子１１０は、相互接続領域１１４の下に図示され得る構成要素を結合するための、様々な相互接続特徴部を有し得る。電池素子１１０を回路素子１０５に接続してもよい。回路素子１０５はそれ自体の基板１１５を有していてもよく、基板１１５上に相互接続特徴部１２５及び１３０が位置付けられていてもよい。回路１０５（集積回路の形態であってもよい）を、基板１１５及びその相互接続特徴部１２５及び１３０に電気的及び物理的に接続してもよい。
【００５３】
図１Ｂを参照すると、コンタクトレンズ１５０の断面のレリーフ図は、コンタクトレンズのインサート１００及び論じられているその構成要素とを含み得る。コンタクトレンズのインサート１００は、コンタクトレンズヒドロゲル１５５のスカート内に封入され得、このスカートはインサート１００を封入し、かつコンタクトレンズ１５０とユーザーの目との快適な境界面を提供してよい。
【００５４】
超小型電池の電気的要件
設計考察に対する別の分野は装置の電気的要件に関連してもよく、これは電池によって与えられてもよい。医療用装置の電源として機能するために、システムが非接続モード又は外部給電されていないモードで動作しているとき、適切な電池が、全ての電気的要件を満たす必要があり得る。接続されない又は外部給電されない生物医学的装置の新興分野は、例えば、視力矯正コンタクトレンズ、健康状態監視装置、ピルカメラ、及び新型装置を含むことができる。集積回路（ＩＣ）技術における近年の進歩により、非常に低い電流レベル（例えば、ピコアンペアの待機電流及びマイクロアンペアの動作電流）での有意義な電気的操作が可能となり得る。ＩＣ技術は、微小装置も可能にすることもできる。
【００５５】
生物医学的用途用の超小型電池は、多くの困難な要件を同時に満たすことが要求される場合がある。例えば、超小型電池は、組み込まれている電気回路に適した動作電圧を供給する能力を有することが要求される場合がある。この動作電圧は、ＩＣプロセス「ノード」、回路から別の装置への出力電圧、及び特定の消費電流目標値（これは、所望の装置寿命にも関連する場合がある）などのいくつかの要因の影響を受け得る。
【００５６】
ＩＣプロセスに関して、ノードは、典型的に、「いわゆる」トランジスタにおけるチャネルなどの、トランジスタの最小特徴部寸法によって差別化され得る。この物理的特徴部は、他のＩＣ製造パラメータ（ゲート酸化膜厚など）と共に、所与のプロセスノードで製造された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の得られる「ターンオン」又は「閾値」電圧の定格標準と関連付けることができる。例えば、０．５マイクロメートルの最小特徴部の寸法を有するノードにおいては、ターンオン電圧が５．０ＶのＦＥＴを見つけるのは一般的なことであり得る。しかしながら、９０ｎｍの最小特徴部の寸法では、ＦＥＴは、１．２、１．８、及び２．５Ｖでターンオンし得る。ＩＣ製造工場は、ある特定の電圧範囲にわたる使用を特徴とし、定格を定められた、例えばインバーターやフリップフロップのようなデジタルブロックの標準的なセルを供給し得る。設計者は、デジタル機器、アナログ／デジタル混合信号装置、漏洩電流、配線層の密度、及び高電圧ＦＥＴなどの特殊装置の利用可能性を含むいくつかの因子に基づいて、ＩＣプロセスノードを選択する。超小型電池から電力を引き込む電気構成要素のこれらのパラメータ態様を考えれば、超小型電池電源が選択されたプロセスノード及びＩＣ設計の要件、特に利用可能な電圧及び電流に関して、整合することが重要であり得る。
【００５７】
いくつかの例では、超小型電池により給電される電気回路は、他の装置に接続されてもよい。非限定的な例において、超小型電池により給電される電気回路は、作動装置又は変換器に接続されてもよい。こうした装置としては、用途に応じて、発光ダイオード（ＬＥＤ）、センサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ポンプ、又は多くの他のこのような装置を挙げることができる。いくつかの例では、このような接続される装置は、一般的なＩＣプロセスノードよりも高い動作電圧を必要とし得る。例えば、可変焦点レンズは、起動するために３５Ｖを必要とし得る。したがって、電池によって提供される動作電圧は、そのようなシステムを設計する上での重要な考慮事項となり得る。この種の考慮事項のいくつかの例では、１Ｖの電池から３５Ｖを生成するレンズ駆動装置の効率は、２Ｖの電池で動作する場合に得られるであろう効率と比べて明らかに低い。ダイ寸法などの更なる要件も、超小型電池の作動パラメータを考慮すると、著しく異なる場合がある。
【００５８】
個々の電池セルは、一般的に、開回路電圧、負荷時電圧、及びカットオフ電圧が規定される。開回路電圧は、負荷抵抗が無限大の状態の電池セルによって生成される電位である。負荷時電圧は、適切、一般的かつ規定の負荷インピーダンスがセル端子間に加えられた状態でセルによって生成される電位である。カットオフ電圧は、典型的には、電池のほとんどが放電された状態となる電圧である。カットオフ電圧は、有害な影響（過剰なガスの発生など）を回避するために、それ以下に電池が放電されるべきではない電圧、又は放電度合いを表すことができる。カットオフ電圧、例えば、電子回路の最小動作電圧は、典型的には、電池自体だけでなく、電池が接続されている回路の影響を受け得る。１つの実施例では、アルカリセルは、１．６Ｖの開回路電圧、１．０〜１．５Ｖの範囲の負荷時電圧、及び１．０Ｖのカットオフ電圧を有し得る。所与の超小型電池セル設計の電圧は、採用するセル化学物質の他の要因により異なる場合がある。したがって、異なるセル化学物質は、異なるセル電圧を有してよい。
【００５９】
セルを直列に接続して電圧を増加させてもよい。しかしこの組み合わせは、サイズ、内部抵抗、及び電池複雑さに対するトレードオフを伴う場合がある。またセルを並列構成で結合して、抵抗を減少させて容量を増加させてもよい。しかし、このような組み合わせは、サイズと貯蔵寿命をトレードオフする場合がある。
【００６０】
電池容量は、電池がある一定期間、電流を供給する、又は仕事を行う能力であり得る。電池容量は、典型的には、ピコアンペア時間などの単位で指定することができる。１マイクロアンペアの電流を１時間供給することができる電池は、１マイクロアンペア時の容量を有する。容量は典型的に、電池装置内の反応物質の質量（したがって体積）を増加させることによって増加させられ得る。しかし、生物医学的装置は利用可能な体積に対して著しく制約される場合があることが理解され得る。また電池容量は、電極及び電解質材料、並びに他の因子、例えば電極の物理的設計、電極間に配置された任意のセパレータ材料の性質及び寸法、並びにアノード、カソード活性物質、導電助剤、及び電解質の相対的割合の影響を受ける場合がある。
【００６１】
電池が接続される回路の要件に応じて、電池は、ある値の範囲にわたる電流を流入させることを要求される場合がある。実際に使用する前の保管中、約ピコアンペア〜ナノアンペアのリーク電流が、回路、相互接続部、及び絶縁体を通って流れる場合がある。回路は、アクティブ動作中、センサをサンプリングする、タイマーを動作させる、及びそのような低消費電力機能を実行するために、零入力電流を消費し得る。零入力電流消費は、ナノアンペアからミリアンペア程度であり得る。回路はまた、例えば、フラッシュ・メモリに書き込む又は無線周波数（ＲＦ）で通信する場合に、より大きなピーク電流を要求してもよい。このピーク電流は、数十ミリアンペア以上に及んでもよい。超小型電池装置の抵抗及びインピーダンスもまた、設計考慮事項にとって重要であり得る。
【００６２】
貯蔵寿命は、典型的には、電池が保管に耐え、かつ依然として有用な作動パラメータを維持することができる期間を指す。貯蔵寿命は、いくつかの理由から、生物医学的装置にとって特に重要であり得る。電子素子は、例えば、電子コンタクトレンズが導入される場合のように、無動力の装置に取って代わる可能性がある。こうした既存の市場空間における製品は、消費者、サプライチェーン、及びその他の要件に起因して、確立された貯蔵寿命要件（例えば、３年）を有している場合がある。そのような規格は新しい製品のために変更されないということが、典型的には望ましい場合がある。貯蔵寿命要件はまた、超小型電池を有する装置の流通方法、在庫管理方法、及び使用方法に従って設定されてもよい。したがって、生物医学的装置用超小型電池は、例えば年数で表すことができる具体的な貯蔵寿命要件を有していてもよい。
【００６３】
いくつかの実施例では、三次元の生体適合性エネルギー印加素子は再充電可能であってよい。例えば、三次元表面上には、更に誘導コイルが製造されていてもよい。次いで、誘導コイルは、無線周波数（「ＲＦ」）フォブを用いてエネルギー印加されてもよい。誘導コイルは、三次元の生体適合性エネルギー印加素子に接続されて、ＲＦが誘導コイルに印加されるとエネルギー印加素子が再充電されてよい。別の例では、太陽電池もまた三次元表面上に製造され、三次元の生体適合性エネルギー印加素子に接続されてよい。太陽電池が光、又は光子に曝露されると、電子を生じさせて、エネルギー印加素子を再充電する。
【００６４】
いくつかの例では、電池は、電気システムに電気的エネルギーを供給するように機能してもよい。こうした例では、電池は、電気システムの回路に電気的に接続されてよい。回路と電池との間の接続は、相互接続に分類され得る。こうした相互接続は、いくつかの要因により、生物医学超小型電池にとってますます困難になっている。いくつかの例では、電動式生物医学的装置は非常に小さいので、相互接続のための面積及び容積がほとんどない場合がある。寸法及び面積の制約は、相互接続部の電気抵抗及び信頼性に影響を与え得る。
【００６５】
その他の点において、電池は、高温で沸騰し得る液体電解質を収容していてもよい。この制約は、例えば、溶融するために比較的高温（２５０℃）を必要とし得るはんだ相互接続を用いたいという要望と、直接的に相克する。しかしながらいくつかの例では、電解質を含む電池化学物質と、はんだベースの相互接続を形成するために使用する熱源とは、互いに空間的に隔てられてもよい。新たに登場した生物医学的装置の場合、寸法が小さいことから、熱伝導を低減するために電解質とはんだ接合部とを十分な距離だけ隔てることが不可能であり得る。
【００６６】
モジュール化された電池構成要素
いくつかの例では、モジュール化された電池構成要素は、本発明のいくつかの態様及び実施例に従って形成され得る。こうした実施例では、モジュール化された電池アセンブリは、生物医学的装置の他の構成要素とは別個の構成要素であってよい。眼科用コンタクトレンズ装置の実施例では、かかる設計は、媒体インサートの残りの部分から分離された、モジュール化された電池を有してもよい。モジュール化された電池構成要素を形成することによる利点は数多く存在し得る。例えば、コンタクトレンズの実施例では、モジュール化された電池構成要素は、別個の非一体的なプロセスで形成され、それにより、三次元に形成された剛性光学樹脂構成要素を処理する必要性が軽減され得る。加えて、複数の供給メーカーをよりフレキシブルに選択することができ、この複数の供給メーカーは、生物医学的装置内部の他の構成要素の製造とより平行したやり方で、作業を行うことが可能である。更に、モジュール化された電池構成要素の製造を、三次元（３Ｄ）形状に成形される装置の特徴と切り離すことができる。例えば、最終的に三次元形態である必要がある用途では、モジュール化された電池システムは、平坦に、又はおおよそ二次元的（２Ｄ）全体像で製造された後、適切な三次元形状に成形されてもよい。いくつかの例では、電池は、三次元形状を（たとえそれが湾曲していなくても）乱さないほどに十分に小さくてもよい。いくつかの他の例では、複数の小さい電池を結合すると、三次元形状のスペースに収まる場合がある。モジュール化された電池構成要素は、残りの生物医学的装置とは独立に試験することができ、また、電池構成要素は組み立て前に選別される場合があるので、ロスが生じる場合がある。得られたモジュール化された電池構成要素は、上に電池構成要素を形成することができる適切な剛性領域を有さない様々な媒体インサート構造体内で使用することができ、更なる実施例では、モジュール化された電池構成要素の使用は、普通であれば用いることができる製造技術（例えば、ウェブベースの技術（ロールツーロール処理）、シートベースの技術（シートツーシート処理）、プリント処理、リソグラフィ処理、及び「スキージング」処理など）とは異なる選択肢の活用を促進することができる。モジュール化された電池のいくつかの実施例では、かかる装置は個別に収容されるという側面を有するので、生物医学的装置の構造全体に追加材料が加えられることになり得る。そうした影響は、利用可能な空間パラメータが溶液の最小の厚さ及び容積を必要とする場合に、モジュール化電池溶液の使用に制約を課する場合がある。
【００６７】
電池構成要素設計における設計要素としての管
いくつかの例では、電池素子の設計を、堅固な封止部を伴う活性な電池化学物質の領域をセグメント化する方法で行ってもよい。いくつかの例においてこれらの封止部は密封であってもよい。活性な電池構成要素を密封封止されたセグメント（普通は管としての形状を採り得る）に分割することから、多くの有意点が存在する場合がある。管状形態電池が、金属、ガラス、又はセラミックで形成された外部構成要素を伴えば、理想的なアーキテクチャ設計態様が形成される場合がある。いくつかの例では、材料の選択を、材料間に形成される封止部が「密封である」と考えられ得るように、すなわち、封止部にわたって生じる分子の拡散が、「封止部の種類、又は封止部を形成するために用いるプロセスの種類」に対する試験プロトコル下での仕様を下回り得るように行ってもよい。例えば、電子構成要素（例えば電池）は、その中に空気の体積又は「空気の量に等価な」体積を有していてもよく、密封仕様は、リーク速度が、装置の体積の５０％を封止部の外側からの空気と交換するであろうあるレベルを下回る封止部に関していてもよい。大きな形態の管状電池を、明細書の次のセクションで説明されるプロセスのうちの１つ以上を用いることによって形成してもよい。次のセクションでは、低レベルのリークを測定して、与えられた電池に対して封止部が密封であることを判定する場合がある。実際には、小さい管状電池又は超小形電池（例えば本開示によるもの）は、いくつかの例では、体積が約１０−４ｃｍ３であってもよい。リーク検出機器が十分に低いリーク速度を測定して超小形電池の封止部が「密封である」ことを確かめる能力は、現在のリーク検出技術を超えている場合がある。それにもかかわらず、超小形電池の封止部は密封であると言ってもよい。なぜならば、同じ処理及び材料を大きな形態の電池に適用したときに、封止処理及び材料を「密封である」と見なせるほどに十分な、計れる程度に低いリーク速度になるからである。
【００６８】
図２Ａを参照すると、絶縁体電池２００を伴う基本的な金属ケーシングを有する管状形態電池の基本例が見られ得る。例では、２つの金属構成要素（アノードコンタクト２１１及びカソードコンタクト２２１）によって、材料を囲む金属管が形成されている。アノード化学物質２１２をアノードコンタクト２１１内に位置付けてもよい。また、カソード化学物質２２２をカソードコンタクト２２１内に位置付けてもよい。いくつかの例では、カソード化学物質２２２とアノード化学物質２１２とをセパレータ２４０によって分離してもよい。電池コンタクトは、機能電池を形成するために互いに絶縁する必要がある。なぜならば、電気接続があると電池化学物質が消耗されるからである。図２Ａの基本例では、絶縁体２３０によってアノードとカソードとが電気的に分離されている。
【００６９】
例示したように、絶縁体２３０は、物理的な部片であって、それ自体、電池内に材料を収容するために働き、また電池内又は電池外への化学物質の移送を抑制する拡散障壁の一部として機能する部片であってもよい。後のセクションでは、密封封止を含む種々の種類の封止部及びそれらの形成技術の記述について説明する。図２Ａの例での封止部の例は、金属対セラミック又は金属対ガラス封止部であってもよい。図２Ａの例では、これらの封止部のうちの少なくとも２つ、例えば封止部２３１及び封止部２３２を示している。
【００７０】
次に図２Ｂを参照すると、図２Ａの装置と同様の構造を伴う代替的な管状形態電池２５０を例示する。代替的な管状形態電池２５０は、アノード領域２６０を有して、アノード領域２６０はアノードコンタクト２６１とアノード化学物質２６２とを伴っていてもよい。またカソード化学物質２７２を収容してカソードコンタクト２７１を規定する金属管状形態を伴うカソード領域２７０を有していてもよい。アノードコンタクト２６１とカソードコンタクト２７１とを分離する絶縁体部片２８０は、絶縁体−金属封止部（封止部２８１及び封止部２８２で例示される）を有していてもよい。図２Ａの例の場合のように、絶縁体−金属封止部は、いくつかの例では、密封封止であってもよい。絶縁体によってアノード２６０とカソード２７０とを電気的に分離してもよいが、セパレータ２９０によってアノード２６０とカソード２７０とを物理的に分離してもよい。この第２の例では、この場合もやはり、アノードコンタクト、カソードコンタクト、及び絶縁体装置（それらの境界を横断する分子及び原子の拡散を著しくブロックする）を含む固体材料が存在する。封止部２８１と封止部２８２とで密封封止すると、全体的に密封封止された管形態電池が得られる場合がある。
【００７１】
次に、図３を参照すると、管形態電池の別の例を例示する。オーバーラッピング型管形態電池３００では、アノード又はカソードのいずれか一方上の金属缶が絶縁体部片に著しくオーバーラップしていてもよく、この絶縁体部片は電池の他方の領域上の金属缶によって著しくアンダーラップされていてもよい。具体的には、例示した形態では、アノード３１０の金属缶はアノードコンタクト３１１としても働き、アノード化学物質３１２を囲んでいる。アノードの金属缶はまた、例示した設計では、絶縁体部片３３０に著しくオーバーラップしており、絶縁体部片３３０自体はカソード領域３２０の金属缶によって著しくアンダーラップされている。カソード金属缶は、カソード化学物質３２２を囲んであり、またカソードコンタクト３２１である。カソード化学物質３２２とアノード化学物質３１２とは、例ではセパレータ３４０によって物理的に分離されている。管説明図では、アノード又はカソード化学物質の一方又は両方を、説明のためにブロック形態で示している場合がある。しかし、いくつかの例では物理的形態は説明図と似ている場合があり、他の例では実際の化学物質はスペースの一部をコーティングする膜の場合がある。オーバーラッピング型管形態電池３００の例は、金属と絶縁体部片との間の最大量の封止面を示している場合がある。これらの封止部は封止部３３１及び封止部３３２で示しており、これらは、図から分かるように、管電池のサイズのかなりの割合にオーバーラップしている。
【００７２】
図４を参照すると、代替的な管状形態４００を例示する。このタイプの例では、中央絶縁性部片４３０が金属エンドキャップと接合して外部コンタクトをもたらしている。典型的なアノード領域４１０はアノード金属コンタクト４１１とアノード化学物質４１２とを含んでいてもよい。中央絶縁体部片４３０の封止部４３１をアノード金属コンタクト４１１に対して形成してもよい。典型的なカソード領域４２０では、カソード金属コンタクト４２１及びカソード化学物質４２２、並びに中央絶縁体部片４３０とカソード金属コンタクト４２１との間に位置する封止部４３２が存在してもよい。このタイプの構成は、種々の例の中で封止部が作用する領域が最少である場合がある。中央絶縁性部片はカソード及びアノードコンタクトを電気的に分離し、セパレータ４４０はアノード化学物質４１２とカソード化学物質４２２とを物理的に分離する。
【００７３】
図５を参照すると、代替的な管状形態電池５００を、アノード及びカソード化学物質の横方向レイアウトと共に例示する。このようなレイアウトはやはり、管状超小形電池構成で形成してもよく、セパレータ５５０（アノード化学物質５１２に接続して機能し、それをカソード化学物質５２２から分離する）に対して最も大きい断面積をもたらす。説明図では、最上部領域はアノード領域５１０であって、アノード化学物質５１２と、アノードコンタクト５１１と、アノードコンタクト５１１の周りのアノード封止部５３１とを伴っていてもよい。いくつかの例では、絶縁体５３０の単一片を、一方の端部にアノード及びカソードコンタクト用に孔を設けて形成してもよく、いくつかの他の例では、２つ以上の絶縁体部片があってもよく、最上部の部片はアノード及びカソードコンタクト用に孔を設けた別個の部片であってもよい。説明図では、最下部領域はカソード領域５２０であって、カソード化学物質５２２と、カソードコンタクト５２１と、カソードコンタクト５２１の周りのカソード封止部５３２とを伴っていてもよい。
【００７４】
図６Ａ〜６Ｆを参照すると、管形態電池の形成を例示する。図６Ａの管６１０は、絶縁材料（例えば、ガラス又はセラミック）で形成され、図６Ｂに例示するように所望の長さに切断してもよい。いくつかの例では、ガラスには以下が含まれていてもよい。非限定的な例として、ボロシリケート、コバール及び他の金属に対する封止ガラス、石英、ソーダ石灰、アルミノシリケート、中性ガラス、鉛ガラス。いくつかの例では、管はセラミックであってもよく、セラミックの種類の例には以下が含まれていてもよい。アルミナ、シリカ、ジルコニア、安定化ジルコニア、ジルコン、ムライト、コーディエライト、マグネシア、炭化ケイ素、及び磁器。図６Ｃでは、金属ワイヤ電気コンタクトの例（アノードコンタクト６２１であってもよい）を例示する。いくつかの例では、金属ワイヤは亜鉛ワイヤであってもよい。他の例では、それは別の金属（例えば真ちゅう）のワイヤであってもよく、それに亜鉛６２０をコーティングしてもよい。ワイヤを封止材６２２で囲んでそれに封止してもよい。
【００７５】
以下のセクションでは、多くの種類の封止部について説明しているが、その多くの例は、例示した封止材６２２と一致している。図６Ｄでは、別の金属ワイヤ６３０を用いてカソードコンタクトを形成してもよい。いくつかの例では、金属ワイヤはチタンワイヤであってもよい。ワイヤをカソード材料６３１の堆積物が囲んでもよい。別の封止材６３２がカソードワイヤ６３０を囲んでもよい。図６Ｅを参照すると、管６１０はウィック６４１を有していてもよく、ウィック６４１はポリオレフィン膜又はセルロース膜であってもよい。いくつかの例では、それは、アノード領域からカソード領域に及ぶセルロースの糸であってもよい。ウィック６４１を、管内に置かれた電解質６４０の体積内に配置してもよい。いくつかの例では、電解質は、ＺｎＣｌ２の溶液などの水溶液であってもよい。いくつかの他の例では、電解質はポリマー電解質であってもよい。異なる電解質オプションのいくつかの態様について、本明細書の後のセクションで説明する。図６Ｆに進んで、図６Ｅ、６Ｄ、及び６Ｃに例示した種々の構成要素を組み立てて管形態電池を形成してもよい。封止材６２２と管６１０及び封止材６３２と管６１０との間の封止部には、以下のセクションで述べるように多くの種類の封止部が含まれていてもよい。いくつかの例では、ウィック６４１は、図６Ａ〜６Ｆに例示するように、物理的分離とは対照的に、より高密度に詰められた電池化学物質を分離状態に保ってもよい完全なセパレータであってもよい。
【００７６】
いくつかの例では、金属エンドキャップを設計変更として加えてもよい。２本のリード線を管状形状の絶縁性接着剤ボディの両端に埋め込んでもよい。管状形状の接着剤は、電池の管状の絶縁性容器内に部分的に収容してもよく、電池容器を越えて部分的に突き出てもよい。いくつかの例では、接着剤によってリード線と絶縁性容器とを接着して封止してもよい。絶縁性接着剤は電池流体を収容して、流体の外部への漏れを防止してもよい。接着剤は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は２つの組み合わせであってもよい。
【００７７】
図７を参照すると、ワイヤ形態カソードコンタクトを含む管形態電池の例を例示する。例には２つの管が含まれていてもよい。１つの中空管７１１と１つの缶形状管７１０であり、一緒にアノードコンタクトを形成していてもよい。アノード化学物質７１５を缶形状管７１０内に堆積するか、そうでなければ充填してもよい。いくつかの例では、アノード化学物質７１５は、めっきされた亜鉛を含んでいてもよい。缶形状管７１０を中空管７１１に、金属対金属封止部７２０を用いて封止してもよい。例では、カソード化学物質７３０をコーティングしてもよい金属ワイヤ７４０が存在していてもよい。いくつかの例では、カソード化学物質７３０は、めっきされた二酸化マンガンを含んでいてもよい。金属ワイヤ７４０はカソードコンタクトを形成してもよい。金属ワイヤは、いくつかの例では、チタンで形成されていてもよい。セラミック絶縁体部片７５０は、金属ワイヤ７４０で形成されるカソードと、中空管７１１と缶形状管７１０との組み合わせで形成されるアノードコンタクトとの間の電気絶縁を形成してもよい。セラミック対金属封止部７６１を、中空管７１１とセラミック絶縁体部片７５０との間に形成してもよい。また、封止部７６０を、セラミック絶縁体部片と金属ワイヤ７４０との間に形成してもよい。
【００７８】
図８を参照すると、ワイヤ形態カソードコンタクトとワイヤ形態アノードコンタクトとを含む管形態電池の更なる他の例を例示する。例には２つの管が含まれていてもよい。第１の中空管８００と第２の中空管８４０である。これらは共に、アノード及びカソード化学物質と電解質配合物とを収容していてもよい。例示した例では、亜鉛ワイヤ８２０が、アノードコンタクト並びにアノード化学物質の両方を形成していてもよい。いくつかの例では、亜鉛ワイヤ８２０を部分的に厚く形成してもよく、めっきされた亜鉛を含んでいてもよい。第１の中空管８００を第２の中空管８４０に、金属対金属封止部８３０を用いて封止してもよい。例では、堆積物８６０を用いて例示するようにカソード化学物質をコーティングしてもよい金属ワイヤ８５０が存在していてもよい。いくつかの例では、カソード化学物質は、めっきされた二酸化マンガンを含んでいてもよい。金属ワイヤはカソードコンタクトを形成してもよい。金属ワイヤは、いくつかの例では、チタンで形成されていてもよい。セラミック絶縁体部片８７０が、金属ワイヤ８５０で形成されたカソードと第２の中空管８４０との間の電気絶縁を形成してもよい。例示の電池の他の側に、大２のセラミック絶縁体武辺８１０Ａによって絶縁され得る亜鉛８２０のワイヤから形成されたアノード接触ワイヤがあってもよく、金属封止部８７１へのセラミックが、中空管８４０とセラミック絶縁体部片８７０との間に形成されてもよい。また、封止部８７２を、セラミック絶縁体部片８７０と金属ワイヤ８５０との間に形成してもよい。セラミック対金属封止部８１１を、中空管８００とセラミック絶縁体部片８１０との間に形成してもよい。また、封止部８１２を、セラミック絶縁体部片８１０と金属ワイヤ８００との間に形成してもよい。
【００７９】
図９を参照すると、ドープ半導体を含む管形態電池の更に他の例を例示する。ドープ半導体を用いることによって、電池内で必要な封止縁部の量が劇的に下がる場合がある。なぜならば、電気コンタクトが高ドープ領域によって管を通して形成されるからである。非ドープ領域はアノードとカソード領域との間の絶縁体を形成してもよい。製造性を考慮して、電池を２つの缶形状部片の半導体で形成してもよく、半導体の端部を高濃度にドープして半導体−半導体継ぎ目９３０と接合してもよい。高ドープ半導体に金属膜例えばチタンをコーティングすると、又は高ドープ半導体を反応させてシリサイド例えばチタンシリサイドを形成させると、抵抗が小さいオーミックコンタクトを形成することができる。半導体は相対的に薄い場合があるため、結果は、継ぎ目のない低抵抗コンタクトとなる場合がある。半導体−半導体継ぎ目９３０をセパレータの領域に位置付けた場合、内部化学物質と継ぎ目とのオーバーラップがほとんどなくてもよい。図９に戻って、例には２つの管が含まれていてもよく、第１の中空半導体缶９００と第２の中空半導体缶９５０とであり、これらは共に、アノード及びカソード化学物質と電解質配合物とを収容していてもよい。例示した例では、金属膜９１５は内部アノードコンタクトを形成してもよい。第１の中空半導体缶９００は高濃度ドープ９１０領域を有していてもよい。いくつかの例では、高ドープ領域にＮ型ドーパント（例えばリン）をドープしてもよい。外側金属層９２５が外部アノードコンタクトを形成してもよい。アノード化学物質９２０を缶内に位置付けてもよい。アノードは、例では、堆積された膜、スラリー、又は固体プラグであってもよい。第１の中空半導体缶９００を第２の中空半導体缶９５０に対して、半導体−半導体封止部９３０（いくつかの例では、配置されたセパレータ９６０）を用いて封止してもよい。例では、堆積物９４０を用いて例示するようにカソード化学物質がコーティングされた金属膜９７５が存在していてもよい。いくつかの例では、カソード化学物質は、めっきされた二酸化マンガンを含んでいてもよい。高ドープ領域９７０によって、第２の中空半導体缶９５０を通る電気コンタクトを形成してもよく、高ドープ領域９７０に外部金属を堆積させてカソードコンタクト９６５を形成してもよい。
【００８０】
電池素子の内部封止
生物医学的装置において使用するための電池素子のいくつかの例では、電池の化学作用は水溶性化学を含み、その場合、水又は水分は制御すべき重要な構成成分となる。したがって、電池本体から出入りする水分の移動を遅らせる又は防止する封止機構を組み込むことが重要であり得る。防湿バリアは、内部の水分レベルを、ある程度の許容差範囲内で、設計されたレベルに維持するように設計され得る。いくつかの例では、防湿バリアを２つのセクション又は構成要素に分割してもよい。すなわち、パッケージと封止部である。
【００８１】
パッケージは、エンクロージャの主要材料を指すことができる。いくつかの例では、パッケージはバルク材を含んでもよい。水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）は性能を表す指標であってよく、試験中に影響を与える環境条件を含む試験手順は、ＩＳＯ、ＡＳＴＭ規格により制御される。理想的には、良好な電池パッケージの水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）は「ゼロ」であり得る。ニアゼロＷＶＴＲである典型的な材料は、ガラス及び金属箔並びにセラミック及び金属部片であってもよい。一方で、プラスチックは、本質的に、水分に対して浸透性であり得、プラスチックの種類によって有意に異なり得る。エンジニアリングされた材料、積層体、又は共押出物は、通常、一般的なパッケージ材料の混成物であってよい。
【００８２】
封止部は、２つのパッケージ表面間の境界面であってよい。封止部の表面を接続することにより、パッケージと共にエンクロージャを仕上げる。多くの例において、封止設計の性質により、封止部の水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）の特性評価が困難である場合があり、その理由は、サンプルの寸法又は表面積がこうした手順に適合しない場合があるので、ＩＳＯ又はＡＳＴＭ規格を用いて測定を行うのが困難であることによる。いくつかの例では、封止完全性を試験するための実践的な方法は、実際の封止設計の、いくつかの定義された条件についての機能試験であり得る。封止性能は、封止材料、封止厚、封止長、封止幅、及びパッケージ基材に対する封止部の接着又は密着性の関数であり得る。
【００８３】
いくつかの例では、封止部は、熱加工、レーザー加工、溶媒加工、摩擦加工、超音波加工、又はアーク加工を含み得る溶接法によって形成されてもよい。他の例では、封止部の形成を、接着封止剤を用いることを通して行ってもよい。例えば接着剤、エポキシ、アクリル、天然ゴム、合成ゴム、樹脂、タール又はビチューメンである。他の例では、ガスケット型材料を利用することに由来してもよい。ガスケット型材料は、少数の非限定的な例を記述するだけでも、天然及び合成ゴム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、及びシリコーンから形成してもよい。いくつかの例では、封止材は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の組み合わせであってもよい。
【００８４】
いくつかの例では、本発明による電池は、特定の動作期間を有するように設計されてもよい。作動期間は、特定の電池システムを用いて得ることができる実際の水分透過量を測定した後、そのような水分の漏れがいつ電池の寿命末期状態をもたらし得るのかを推定することによって、推定することができる。例えば、電池が湿潤環境において保存される場合には、電池の外側と内側の分圧差は最小となるので、水分損失率は低くなり、したがって電池の寿命は長くなる。非常に乾燥して熱い環境において保存される同じ例示的な電池は、水分を損失させる作用が強いので、著しく短い予想寿命を有する場合がある。
【００８５】
金属／金属、金属／ガラス、金属／セラミック、ガラス／ガラス、半導体／半導体及び半導体封止部
電池化学に対する収容として働き得る固体材料間に密封又は良好に封止された界面を形成する手段が多数存在し得る。固体材料間に適切な密封した機械的結合を形成するための典型的な手段としては、はんだ付け、ろう付け、及び溶接が挙げられる。これらの方法はほぼ同じであると考えられ得る。なぜならば、それらは全て、両方のベース材料（接合すべき材料。同質又は異種の材料とすることができる）と２つのベース材料間を接合する充填材料とを熱処理することを含んでいるからである。これらの方法間に存在する主な違いは、各方法において材料を加熱するために用いられる具体的な温度と、ある長さの時間にわたって適用されたときにどのようにこれらの温度が各材料の特性に影響するかであると考えられ得る。より具体的には、ろう付け及びはんだ付けの両方において、充填材料の液相線温度よりも上だが両方のベース材料の固相線温度よりも下の温度を用いてもよい。ろう付けとはんだ付けとの間に存在し得る主な違いは、適用される具体的な温度として見られる場合がある。例えば、適用温度が４５０℃を下回るならば、本方法ははんだ付けと言ってもよく、しかし、適用温度が４５０℃を超えるならばろう付けと言ってもよい。しかし、溶接では、充填材料及びベース材料の液相線を同様に上回る適用温度を用いてもよい。
【００８６】
前述の方法はそれぞれ、種々の材料の組み合わせに対して機能することができ、特定の材料の組み合わせがこれらの方法のうちの２つ以上によって互いに接合できてもよい。２つの材料を互いに接合するための方法の中で行う最適な選択は、多数の特徴によって決定してもよい。特徴としては限定することなく以下が挙げられる。所望の材料の特定の材料特性及び液相線温度、所望の接合又は充填材料の他の熱特性、２つの材料を接合する作業者又は機械の技量、タイミング、及び精度、並びに各方法により接合された材料に対する機械的又は表面損傷の許容レベル。いくつかの例では、本発明と整合して、２つの材料を互いに接合するために用いる材料には、純粋な金属例えば金、銀、インジウム及びプラチナが含まれていてもよい。また合金、例えば銀−銅、銀−亜鉛、銅−亜鉛、銅−亜鉛−銀、銅−リン、銀−銅−リン、金−銀、金−ニッケル、金−銅、インジウム合金、及びアルミニウム−シリコンが含まれていてもよい。また、活性ろう付け合金例えばチタン活性ろう付け合金（金、銅、ニッケル、銀、バナジウム又はアルミニウムが含まれていてもよい）が含まれていてもよい。本開示で述べた封止要求と一致し得る他のろう付け材料が存在する場合がある。
【００８７】
これらの接合方法のそれぞれに対する異なる材料の組み合わせには、金属／金属、金属／ガラス、金属／セラミック、ガラス／ガラス、半導体／半導体、及び金属／半導体が含まれていてもよい。
【００８８】
第１のタイプの例では、金属封止部対金属封止部を形成してもよい。はんだ付け、ろう付け、及び溶接は全て、金属／金属接合に対して非常に広く用いられている。種々の金属の材料特性は金属間で非常に幅広く変化する場合があるため、金属の液相線温度が典型的に、どの接合方法を所望の金属と共に用いるかに対する決定的な特徴となる場合がある。例えば、卑金属は液相線温度が低くてろう付け温度で迅速に溶融するほどであり得るか、又は卑金属は液相線温度が高くて、はんだ付け温度に化学的に反応して適切な接合を形成することがないほどであり得る。
【００８９】
別のタイプの例では、金属対ガラス（又はガラス対金属）封止部を形成してもよい。金属及びガラスの材料としての不均質性に起因して、典型的な金属／金属接合方法は金属をガラスと接合することへの助けとならない場合がある。例えば、金属／金属はんだ付けで用いる典型的な充填材料は、金属に良好に接合してもよいが、熱処理下でガラスと反応してその表面に接合することがなくてもよい。この問題点を打開するに対する可能性の１つは、他の材料（例えばエポキシ）を用いて両方の材料を接合することであり得る。典型的なエポキシはその構造内にペンダントヒドロキシル基を有しており、これによって無機材料に強く接合できる場合がある。エポキシは材料間に容易及び安価に適用される場合があり、多くの種類の表面に広範に接合する。エポキシはまた、適用の前後で多くの方法によって容易に硬化され得る、例えば化学物質を混合した後に迅速に適用すること、熱、光ベース、若しくは他の種類の放射であって、エポキシ内にエネルギーを導入して接合／硬化反応を誘起する放射、又は他の方法によってである。多くの異なる種類のエポキシが、多くの異なる特性（例えば、限定することなく、結合強度、適用性の容易性、硬化方法、硬化時間、結合性材料、及び他の多く）に基づいて、適用が異なると望ましさが異なる場合がある。エポキシを用いた真の密封封止を実現するためには、エポキシを通る特定の流体のリーク速度を考えることが不可欠である。しかし、密封封止を、エポキシを用いて行うと、やはり密封封止が維持されながら、ワイヤ又はピンに対して銅合金を用いる柔軟性が得られる。これは、他の種類の接合又は密封封止の場合には要求される導電性材料がより少ないのとは対照的である。しかし、エポキシ封止部は典型的に、実行可能な動作温度範囲が他の接合方法に比べて一層制約されており、結合強度が著しくより低い場合もある。
【００９０】
別のタイプの例では、金属対セラミック（又はセラミック対金属）封止部を形成してもよい。ろう付けが、金属セラミック接合を実現するための典型的な方法であると考えられる場合があり、材料間の密封封止を実現するための証明及び容認された方法が多数存在する。これにはモリブデンマンガン／ニッケルめっき方法が含まれていてもよい。この方法では、モリブデン及びマンガン粒子をガラス添加剤及び揮発性キャリアと混合してコーティングを形成し、ろう付けするセラミック表面に適用する。このコーティングを処理した後にニッケルでめっきして更に処理し、こうして、標準的な方法及び充填材料を用いて容易にろう付けされる。
【００９１】
また薄膜堆積を別の広く用いられるろう付け方法と考えてもよい。この方法では、材料の組み合わせを物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いて非金属表面に適用してもよい。適用する材料の選択は、所望の材料特性又は層厚さに依存する場合があり、時おり多層を適用する。この方法には多くの優位点がある。例えば、適用に対して可能な金属の幅広い多様性、並びに標準的な材料を用いたときの速度及び実証済みの一貫した成功である。しかし不利点が存在する。例えば、コーティングを適用するための専用ＰＶＤ機器が必要であること、マスキングを望む場合には複雑なマスキング技術が必要であること、及び均一なコーティング厚さを阻む場合があるセラミックについての幾何学的制約である。
【００９２】
ナノフォイル（登録商標）材料接合
ナノフォイル（登録商標）と言われる市販製品（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なナノテクノロジー材料）によって、電池用の封止金属、セラミック、及び／又は半導体収容が必要であり得るときに意味のある例が得られる場合がある。いくつかの例では、封止部形成における任意の熱的効果が、可能な限り封止部自体に局在化することが望ましい場合がある。材料複合物例えばナノフォイル（登録商標）材料によって、著しい熱局在化が得られる一方で、密封された接合封止部が形成されてもよい。ナノフォイル（登録商標）タイプの複合膜を、数百又は数千のナノスケール膜レベルで形成してもよい。例では、反応性多層箔を、アルミニウム（Ａｌ）及びニッケル（Ｎｉ）の数千の交互層を蒸着することによって作製する。これらの層はナノメートルの厚さであってもよい。電源、光源、又は熱源からの局所的エネルギーの小パルスによって活性化されると、箔は発熱反応する。結果として生じる発熱反応は、定量化可能な量のエネルギーを１０００分の数秒で送出して表面を非常に高い局所温度まで加熱するが、封止されている金属、セラミック、又は半導体部片内の温度を上げるであろう全エネルギー量を送出しないように設計してもよい。図１０Ａに進んで、図８からの封止部８３０の一部を強調する。図１０Ｂでは、ナノフォイルの活性化前に封止部に関係する層の例を示す。第１の中空管８００と第２の中空管８４０とに対する予備湿潤したはんだ層のコーティングを、第１のはんだ層１０１０と第２のはんだ層１０３０とに対する各側面上に行ってもよい。２つのはんだ層の間に、ナノフォイル（登録商標）材料の部片１０２０を位置付けてもよい。ナノフォイル（登録商標）材料が活性化されたら、それははんだ層を局所的に溶融して封止部８３０を形成してもよい。説明図に示すのは突合せ型接合部であるが、他の多くの接合部構造が可能であり得る。例えば、オーバーラッピング設計、溝付き設計、及び他の種類の接合部であって、はんだコーティングされた表面を有する封止すべき２つの表面間にナノフォイル（登録商標）材料の部片が位置付けられ得る接合部である。
【００９３】
Ｓボンド（登録商標）封止
ナノフォイル（登録商標）材料接合と同様の例は、Ｓボンド（登録商標）材料接合であってもよい。Ｓボンド材料は、従来のはんだ合金ベースにチタン又は他の希土類元素を添加したものを含んでいてもよく、Ｓ−Ｂｏｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能である。チタンのような活性物質は酸化物又は他の不活性材料と接合界面で反応して、それらに化学結合するか又はそれらをはんだ溶融する。加熱すると、Ｓボンド（登録商標）材料は溶融する場合があるが、やはりその上に薄い表面酸化物がある。その表面酸化物が破壊されると、活性物質反応が、接合／封止部の表面領域と共に生じる。酸化物を削り取りプロセスを用いて破壊してもよいが、超音波を用いて破壊してもよい。したがって、表面反応を比較的低温で開始してもよく、本来は接合が難しい場合がある材料に対して接合が形成される場合がある。いくつかの例では、Ｓボンド（登録商標）材料をナノフォイル（登録商標）材料と結合して、電池システムの残りの部分に対する著しい熱負荷を伴うことなく、局所的に接合され得る構造を形成してもよい。
【００９４】
シリコン接合
シリコン接合は、いくつかの例では、Ｓボンド（登録商標）材料を用いて実現してもよい。いくつかの例では、Ｓボンド（登録商標）２２０Ｍの組成を用いて、はんだ付け可能な界面を形成してもよい。Ｓボンド（登録商標）２２０Ｍ材料は、１１５〜４００℃の範囲の温度で接合／封止されるシリコン表面上に堆積することができる。したがってシリコンの缶形状部片は、ＰＯＣｌなどのドープされた膜の使用を通して、移植を通して、又はドーピングの他の手段を通してのいずれかで、閉鎖端部上に高濃度ドープされ得る。別の手段には、半導体のボディを酸化させた後に、ドーパントを希望する領域で酸化物を化学的にエッチングすることが含まれていてもよい。ドープ領域を次にチタンにさらして加熱して、シリサイドを形成してもよい。封止部を形成するために用いるシリコン缶の領域に対して、Ｓボンド２２０Ｍ材料を適用して加熱して、シリコン表面又はシリサイド表面上に濡れるようにしてもよい。いくつかの例では、ナノフォイル（登録商標）材料の膜を封止部領域内に適用して、後続の活性化を得てもよい。電池化学物質、電解質、及び他の構造を缶半分内に形成してもよく、その後、半分２個を共に配置してもよい。超音波及びナノフォイル（登録商標）材料の活性化による同時活性化の下で、急速な低温密封封止を形成してもよい。
【００９５】
電池モジュールの厚さ
生物医学的用途用の電池構成要素を設計する際には、様々なパラメータの兼ね合いを図って、技術的な要件と、安全要件と、機能要件とのバランスをとってもよい。電池構成要素の厚さは、重要かつ制約的なパラメータであり得る。例えば、光学レンズ用途では、ユーザーが快適に装着できる装置の能力は、生物医学的装置全体の厚さにクリティカルな依存を有し得る。したがって、電池をより薄く設計する際のクリティカルで実現可能な側面が存在し得る。いくつかの例では、電池の厚さは、上部シートと、底部シートと、スペーサシートを合わせた厚さ、及び接着剤層の厚さによって決定されてもよい。実際の製造態様は、膜厚のある種のパラメータを、使用可能なシート在庫の標準値に決定してもよい。加えて、膜は、厚さの最小値を有していてもよく、化学的適合性、湿気／ガス不透性、表面仕上げ、及び膜層上に堆積することができるコーティングとの適合性に関する技術的考慮事項に基づき、フィルムをこの値に特定してもよい。
【００９６】
いくつかの例では、完成した電池構成要素の望ましい又は目標とする厚さは、２２０μｍ未満である構成要素厚であってよい。こうした例では、この望ましい厚さは、エンドユーザーの快適性、生体適合性、及び容認に関する制約を前提として、ヒドロゲルレンズ形状によって規定される利用可能な容積内部に電池構成要素を挿着する必要があり得る、例示的な眼用レンズ装置の三次元形状によって決定され得る。この容積及びこの容積が電池構成要素の厚さの必要性に与える影響は、装置全厚に関する仕様、並びに装置の幅、円錐角、及び内径に関する装置仕様の関数であってよい。得られる電池構成要素の設計に関する別の重要な設計考慮事項は、結果として得られる化学エネルギー（これは設計に起因し得る）に関してなされる電池構成要素の所与の設計において、活性電池化学物質及び材料が使用可能な容積に関連し得る。この結果として生じる化学エネルギーを次に、機能的生物医学的装置の電気的要件に対してバランスさせて、その目標とする寿命及び動作状態を得てもよい。
【００９７】
電池モジュールの幅
本発明の生体適合性エネルギー印加素子又は電池をその中で使用することができる多くの用途が存在し得る。広くは、電池の幅の要件は、主に、電池が適用される用途に応じて異なり得る。例示的なケースとして、コンタクトレンズの電池システムは、モジュール式電池構成要素の幅に関する仕様に対する、制約付きニーズを有し得る。装置が電池構成要素により給電される可変光学機能を有する眼科用装置のいくつかの例では、装置の可変光学部分は、直径約７．０ｍｍの中央球面領域を占めてもよい。例示的な電池素子は、中央光学系の周囲に環円錐状スカートとしてフィットする三次元物体と考えることができ、切頭円錐状のリングに形成されることができる。必要とされる剛性インサートの最大直径が直径８．５０ｍｍであり、ある特定の直径（例えば、おおよそ直径８．４０ｍｍ）の球体に接触することが目標であり得る場合には、形状が電池の可能な許容幅を決定し得る。得られる形状の望ましい仕様を計算するのに有用であり得る形状モデルが存在してもよく、これは、いくつかの例では、円環の扇形になるように平坦化された円錐台と呼ばれる場合もある。
【００９８】
平坦化された電池の幅は、電池素子の２つの特徴である活性電池構成要素及び封止幅によって決定され得る。眼科用装置に関連したいくつかの例では、ターゲット厚は、片面当たり０．１００ｍｍ〜０．５００ｍｍであってもよく、活性電池構成要素のターゲット幅はおよそ０．８００ｍｍであってもよい。他の生物医学的装置は異なる設計制約を有していてもよいが、可撓性平型電池素子の原理を同じように適用することが可能である。
【００９９】
電池モジュールの可撓性
電池の設計、及び電池をエネルギー源として利用する関連装置の設計と関係する別の側面は、電池構成要素の可撓性である。可撓性の電池形態によって与えられる利点は数多く存在し得る。例えば、可撓性の電池モジュールは、電池形態を二次元（２Ｄ）平面形態に形成するという前述の能力を容易にすることができる。形態の可撓性により、二次元の電池を、後に、コンタクトレンズなどの生物医学的装置内にフィットする適切な３Ｄ形状に形成することが可能となり得る。
【０１００】
電池モジュールの可撓性により得ることができる利益の別の例において、電池及びそれに続く装置が可撓性である場合には、装置の使用に関連した利点が存在し得る。一例では、コンタクトレンズの形態の生物医学的装置は、媒体インサートベースのコンタクトレンズの挿入／取り外しが、非充填型の標準的なヒドロゲルコンタクトレンズの挿入／取り外しに近い場合があるという利点を有し得る。
【０１０１】
曲げ回数は、電池のエンジニアリングにとって重要であり得る。例えば、平面形態からコンタクトレンズにとって好適な形状へと１回だけ曲がることができる電池は、複数回曲がることができる電池と有意に異なる設計を有し得る。電池の曲げが、曲げ事象を機械的に乗り越える能力を超える場合もある。例えば、電極は、破損せずに物理的に曲げ可能であり得るが、電極の機械的及び電気化学的特性は、曲げにより変化する場合がある。曲げによって誘発される変化は、例えば、インピーダンスへの変化としてすぐに現れる場合もあり、又は、曲げは、長期に及ぶ貯蔵寿命試験においてのみ明らかとなる変化を誘発する場合もある。
【０１０２】
電池形状態様
電池の形状要件は、少なくとも一部には、電池を使用する用途によって決定されてもよい。従来の電池形状因子は、金属で製造された円筒形又は四角柱であり得、長期間にわたり大量の電力を必要とする製品を対象にしている場合がある。こうした用途は、形状因子の大きい電池を含むことができる程度に十分に大きくてもよい。別の実施例では、平型（２Ｄ）固体電池は薄い四角柱であり得、典型的には非可撓性のシリコン又はガラス上に形成される。こうした平型固体電池は、いくつかの例では、シリコンウェハ加工技術を用いて形成され得る。電池形状因子の別の種類では、低出力のフレキシブル電池は、薄箔又はプラスチックを使用して袋状構造物に形成されて、電池化学物質を封じ込めることができる。こうした電池は平型（２Ｄ）とすることができ、緩やかな面外（３Ｄ）湾曲状に曲げられたときに機能するように設計され得る。
【０１０３】
電池が可変視覚レンズ内で使用され得る本発明の電池用途例のいくつかにおいて、形状因子は、電池構成要素の三次元的な湾曲を必要とする場合があり、この湾曲の曲率半径は約８．４ｍｍ程度であり得る。そのような湾曲の性質は比較的急であると考えることができ、参考までに、ヒトの指先に見られるタイプの湾曲に近似し得る。比較的急な湾曲の性質により、製造側面において課題が生じる。本発明のいくつかの実施例では、モジュール化された電池構成要素は、平坦で二次元的に製造された後、比較的曲率の高い三次元形態に形成されるように設計され得る。
【０１０４】
電池素子のセパレータ
本発明に記載される種類の電池は、アノード及びアノード集電体部分を、カソード及びカソード集電体部分から物理的かつ電気的に分離するセパレータ材料を使用してもよい。セパレータは、水及び溶解した電解質成分に対して透過性であるメンブレンであってもよい。しかし、それは典型的に非導電性であってもよい。無数の市販のセパレータ材料が当業者に既知であり得るが、本発明の新規な形状因子は、セパレータの選択、加工、及び取り扱いに固有の制約を提示し得る。
【０１０５】
本発明の設計は超薄型の輪郭を有し得るので、選択肢は、一般に入手可能な最も薄いセパレータ材料に限定され得る。例えば、厚さ約２５マイクロメートルのセパレータが望ましい場合がある。有利であり得るいくつかの実施例は、厚さ約１２マイクロメートルであり得る。条件を満たす多くの市販のセパレータが存在し得、例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ）製のセパレータのような、ミクロフィブリル化された微多孔性のポリエチレン単層及び／又はポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ）３層セパレータ膜が挙げられる。セパレータ材料の望ましい実施例は、厚さ１２マイクロメートルのＣｅｌｇａｒｄ  Ｍ８２４  ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層膜であり得る。本発明の実施例に有用なセパレータ材料の代替実施例としては、再生セルロース（例えばセロファン）を含むセパレータ膜を挙げることができる。
【０１０６】
ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層セパレータ膜は、そのポリオレフィンの特性により、有利な厚さ及び機械的特性を有し得るが、本発明の実施例において有用とするためには克服する必要があり得るいくつかの不利な点も有し得る。ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層セパレータ材料のロール又はシートは、本明細書に記載される電池に適用可能なマイクロメートルレベルの公差に悪影響を与える可能性のある、多数の皺又は他の形態のエラーを有する場合がある。更に、ポリオレフィンセパレータは、本発明の設計に含ませるためには超精密な公差で切断される必要があり得るので、個々の集電体を厳しい公差で望ましい形状に形成するための例示的な方法としてレーザー切断を行う必要があり得る。こうしたセパレータのポリオレフィンの特性により、マイクロ素子の製造に有用なある種の切断用レーザーはレーザー波長（例えば３５５ｎｍ）を使用する場合があるが、この波長ではポリオレフィンは切断されない。ポリオレフィンは、レーザーエネルギーを認め得るほどに吸収しないので、切断不可能である。最後に、ポリオレフィンセパレータは、本明細書に記載される電池で使用される水性電解質に対して本質的に湿潤性でない場合がある。
【０１０７】
しかし、ポリオレフィン系の膜に固有のこうした制限を克服するための方法が存在し得る。微多孔性セパレータ膜に高精度の切断用レーザー処理を施して、膜片をアークセグメント又は他の有利なセパレータ設計に切断するために、膜は平坦で皺のない状態である必要があり得る。こうした２つの条件を満たさない場合、入射レーザーエネルギーの焦点を合わせることができないか、あるいは別様に入射レーザーエネルギーが散乱してしまうため、切断ビームが妨げられ、それによりセパレータ膜を完全に切断することはできない。加えて、膜が平坦で皺のない状態でない場合、セパレータ膜の形状精度及び幾何公差を十分に得ることができない。現在の実施例のセパレータの許容公差は、例えば、特性長さ及び／又は半径に対して＋０マイクロメートル及び−２０マイクロメートルであってよい。＋０マイクロメートル及び−１０マイクロメートルといったより厳しい公差、更には＋０マイクロメートル及び−５マイクロメートルの公差に関する利点が存在し得る。セパレータストック材料は、適切な低揮発性液体を有するフロートガラス製のキャリアにこの材料を一時的に積層することにより、平坦で皺のない状態にすることができる。セパレータ膜の脆弱性、及びセパレータ膜を接着剤層から剥離することが要求される場合がある加工時間に起因して、低揮発性液体は仮接着剤より有利であり得る。更に、いくつかの実施例では、液体を使用してフロートガラス上に平坦で皺のないセパレータ膜を得ることは、接着剤を使用するよりもはるかに容易であることが認められている。セパレータ膜は、積層する前に、粒子を含まないものとしてもよい。これは、表面に接着したあらゆる粒子を除去するために、セパレータ膜を超音波洗浄することにより達成することができる。いくつかの実施例では、セパレータ膜の取り扱いは、ラミナーフローフード又は少なくともクラス１０，０００のクリーンルームのような好適な低粒子環境内で行われてもよい。更に、フロートガラス基板は、適切な溶媒、超音波洗浄、及び／又はきれいなルームワイプで拭き取ることによって、粒子を含まないものとしてもよい。
【０１０８】
微多孔性ポリオレフィンセパレータ膜をフロートガラスキャリアに積層する機械的な目的で、多種多様な低揮発性液体を使用することができるが、別個のセパレータ形状の後続レーザー切断を容易にするために、その液体には具体的な要件が課せられる場合がある。要件のうちの１つは、液体が、セパレータ材料の孔に染み込むほど十分に低い表面張力を有し、それを目視検査で確認することができることであり得る。いくつかの実施例では、セパレータ材料は、液体が材料のミクロ細孔を充填すると、白色から半透明の外観に変化する。セパレータの調製及び切断作業にさらされることになる作業者にとって無害で「安全」であり得る液体を選択することが望ましくあり得る。加工の時間スケール（約１日）の間に相当量の蒸発が生じないように、蒸気圧が十分に低くあり得る液体を選択することが望ましくあり得る。最後に、いくつかの実施例では、液体は、レーザー切断作業を促進することができる好都合な紫外線吸収剤を溶解するだけの十分な溶媒和力を有していてもよい。一実施例では、アボベンゾン紫外線吸収剤の１２％（ｗ／ｗ）ベンジルベンゾエート溶液は上記要件を満たすことができ、かつ、高精度及び高い耐性で迅速に、切断用レーザービームの通過回数が過剰になることなく、ポリオレフィンセパレータのレーザー切断を促進するのに役立ち得る。いくつかの実施例では、セパレータは、８Ｗ  ３５５ｎｍ  ナノ秒ダイオード励起固体レーザーで、このアプローチを用いて切断されてもよく、その場合レーザーの設定は、低電力損失（例えば３パーセント電力）、１〜１０ｍｍ／秒の適度な速度、及びレーザービームの通過は１〜３回だけとすることができる。この紫外線吸収性油状組成物は、効果的な積層及び切断加工助剤であることが証明されているが、当業者であれば他の油性製剤を想定することができ、これを制限なく使用することができる。
【０１０９】
いくつかの実施例では、セパレータは、フロートガラスに固定された状態で切断されてもよい。フロートガラスに固定した状態でセパレータをレーザー切断することの利点の１つは、半導体ダイがシリコンウェハ上に密に配列され得るのと同様に、非常に高い数密度のセパレータを１枚のセパレータストックシートから切断することができることである。かかるアプローチは、半導体プロセスに固有の大量生産による生産コストの削減及び並列処理の利点をもたらすことができる。更に、セパレータ膜のスクラップが生じる可能性が最小となる。セパレータが切断されたら、混和性溶媒を用いる一連の抽出工程により、油性液体である加工助剤を除去してよく、最後の抽出は、いくつかの実施例では、イソプロピルアルコールなどの高揮発性溶媒を用いて行われてもよい。個々のセパレータは、抽出が終わると、任意の好適な低粒子環境内で無期限に保管されてもよい。
【０１１０】
前述したように、ポリオレフィンセパレータ膜は、本質的に疎水性であり得、本発明の電池内で使用する水溶性界面活性剤に対して湿潤性を有する状態にする必要があり得る。セパレータ膜を湿潤性にするアプローチの１つは、酸素プラズマ処理であり得る。例えば、セパレータを、酸素１００％のプラズマ中で、様々な電力設定及び酸素流量にて、１〜５分間処理してもよい。このアプローチは、湿潤性を一時的に改善することができるが、プラズマ表面改質は一過性の効果をもたらすことが既知であり得、この効果は、電解質溶液で確実に湿潤するのに十分なだけ長く続かない場合がある。セパレータ膜の湿潤性を改善するための別のアプローチは、膜に好適な界面活性剤を組み込むことによって表面を処理することであってよい。場合によっては、界面活性剤は親水性ポリマーコーティングと共に使用してもよく、そのコーティングはセパレータ膜の孔内部に留まる。
【０１１１】
酸化プラズマ処理によって付与された親水性をより永続的にするための別のアプローチは、好適な親水性オルガノシランで引き続き処理することであってよい。このように、酸素プラズマを用いて、微多孔性セパレータの全表面面積全体に官能基を付与しかつ活性化することができる。次に、プラズマ処理された表面にオルガノシランを共有結合させてもよい及び／又は非共有的に付着させてもよい。オルガノシランを用いる例では、微多孔性セパレータの固有多孔性を認め得るほどに変化させることはできず、単層で表面を被覆することも可能であり、かつ望ましくあり得る。ポリマーコーティングと共に界面活性剤を組み込む従来技術の方法は、膜に塗布されるコーティングの実際の量を厳密に制御する必要があり得、したがってプロセス変動を受ける可能性がある。極端な実施例では、セパレータの孔がブロックされ、それにより電気化学セルの動作中にセパレータの有用性に悪影響が及ぶ可能性がある。本開示で有用な例示的なオルガノシランは、（３−アミノプロピル）トリエトキシシランであり得る。親水性オルガノシランは当業者に既知であり、制限なく使用することができる。
【０１１２】
セパレータ膜を水性電解質にして湿潤性にするための更に別の方法は、好適な界面活性剤を電解質製剤に組み込むことであり得る。セパレータ膜を湿潤性にするための界面活性剤を選択する際の考慮事項の１つは、界面活性剤が、例えば、セルの電気インピーダンスを上昇させることにより、電気化学セル内の１つ又は２つ以上の電極の活性に与える可能性がある影響であり得る。場合によっては、界面活性剤は、特に水性電解質中のアノードが亜鉛の場合に、有利な防食性を有し得る。亜鉛は、水とゆっくり反応して水素ガスを放散させることで知られる材料の例であり得、これは望ましくない場合がある。該反応の速度を有利なレベルまで制限する多くの界面活性剤が、当業者には既知であり得る。他の事例では、界面活性剤は亜鉛電極表面と強く相互作用するので、電池性能を阻害する場合がある。したがって、セルの電気化学的性能に悪影響を及ぼすことなくセパレータの湿潤性を確実に得ることができるように、界面活性剤の適切な種類及び充填レベルを選択する際には、多くの注意を払う必要があり得る。場合によっては、セパレータ膜に湿潤性を付与するために存在するものもあれば、亜鉛アノードに対する防食性を促進するために存在するものもるといったように、複数の界面活性剤を使用してもよい。一実施例として、セパレータ膜に親水化処理が施され、セパレータ膜の湿潤性をもたらすのに十分な量の界面活性剤又は複数の界面活性剤が電解質配合物に添加される。
【０１１３】
別個のセパレータを管状超小形電池内に、管アセンブリの片側又は両側の一部内に直接配置することによって統合してもよい。
【０１１４】
重合した電池素子の架橋セパレータ
一部の電池設計では、（前項で説明した）個々のセパレータの使用は、非限定的な例として、コスト、材料の入手可能性、材質、又は一部の材料選択肢に関して加工の複雑性といった様々な理由から、排除される場合がある。
【０１１５】
均一で機械的に頑丈なその場で成形されるセパレータを得る方法は、ＵＶ硬化性ヒドロゲル配合物を使用することであり得る。多くの水透過性ヒドロゲル配合物が、種々の業界（例えば、コンタクトレンズ業界）において既知であり得る。コンタクトレンズ業界において一般的なヒドロゲルの例は、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）架橋ゲル、又は単にｐＨＥＭＡであり得る。本発明の多くの用途に関し、ｐＨＥＭＡは、ルクランシェ及び亜鉛炭素電池で使用するのに多くの魅力的な特性を有する場合がある。ｐＨＥＭＡは、典型的には、約１００ｐｓｉ以上の弾性率を維持しながら、水和状態において約３０〜４０パーセントの含水量を維持することができる。更に、当業者は、追加の親水性モノマー（例えばメタクリル酸）又はポリマー（例えばポリビニルピロリドン）成分を組み込むことによって、架橋ヒドロゲルの弾性率及び含水量特性を調整することができる。このようにして、ヒドロゲルの含水量、又は、より詳細には、イオン透過性を、配合によって調整することができる。
【０１１６】
特に有利な点として、いくつかの実施例では、注型可能及び重合可能なドロゲル配合物は、加工を容易にするために、１つ又は２つ以上の希釈剤を含有していてもよい。希釈剤は、注型可能な混合物をキャビティ内にスキージングした後、揮発性溶媒成分を除去するのに十分な乾燥時間を許容し得るように、揮発性であるように選択することができる。乾燥後、選択した光開始剤（ＣＧＩ  ８１９など）に適した波長（４２０ｎｍの青色／ＵＶ光など）の化学線に暴露することによって、バルク光重合を開始してもよい。揮発性希釈剤は、重合性材料の均一層をキャビティ内に注型成形するのを容易にするように、望ましい塗布時の粘度をもたらすのに役立ち得る。揮発性希釈剤はまた、特に強い極性のモノマーを配合物に組み込む場合に、有益な表面張力低減効果ももたらすことができる。キャビティ内への重合性材料の均一層の注型成形を達成するために重要であり得る別の態様は、塗布時の粘度であり得る。一般的な低モル質量の反応性モノマーは典型的に、粘度があまり高くなく、典型的にはわずか数センチポアズであり得る。注型可能かつ重合可能なセパレータ材料の粘度を有利に制御する目的で、重合性材料と適合性があることで知られている高モル質量のポリマー成分を配合物の組み込みに選択してもよい。例示の配合物に組み込むのに適し得る高モル質量のポリマーの例としては、ポリビニルピロリドン及びポリエチレンオキシドを挙げることができる。
【０１１７】
いくつかの実施例では、注型可能かつ重合可能なセパレータは、前述したように、設計されたキャビティ内に好都合に塗布することができる。代替実施例では、重合時にキャビティが存在しなくてもよい。代わりに、注型可能かつ重合可能なセパレータ配合物を電極含有基板（例えば、パターニングして亜鉛めっきを施した黄銅）にコーティングした後、続いて標的領域内のセパレータ材料を選択的に重合させるためにフォトマスクを使用して化学線に暴露してもよい。次に、適切なリンス溶媒に暴露することにより、未反応のセパレータ材料を除去することができる。こうした実施例では、セパレータ材料は、フォトパターニング可能なセパレータとして設計され得る。
【０１１８】
多成分セパレータ配合物
本発明の実施例に従って有用なセパレータは、その機能にとって重要であり得る、多くの特性を有し得る。いくつかの実施例において、セパレータは望ましくは、セパレータの両側の層が互いに物理的に接触しないように、物理的な障壁を生成するような様式で形成され得る。したがって層は、様々な理由により薄層が望ましい一方で、空隙又はギャップのない層が必須であるため、均一な厚さという重要な特性を有し得る。これに加えて、薄層は、イオンが自由に流れることができるように高い透過性を望ましく有し得る。更に、セパレータは、セパレータの機械的特性を最適化するのに最適な水のとりこみを必要とする。したがって、配合物は、架橋成分、親水性ポリマー成分、及び溶媒成分を含有し得る。架橋剤は、２つ以上の重合可能二重結合を有するモノマーであり得る。好適な架橋剤は、２つ以上の重合可能官能基を有する化合物であり得る。好適な親水性架橋剤の例としては、２つ以上の重合可能官能基、並びに親水性官能基（例えば、ポリエーテル、アミド、又はヒドロキシル基）を有する化合物も含み得る。具体的な実施例としては、ＴＥＧＤＭＡ（テトラエチレングリコールジメタクリレート）、ＴｒＥＧＤＭＡ（トリエチレングリコールジメタクリレート）、エチレングリコールジメタクリレート（ＥＧＤＭＡ）、エチレンジアミンジメタクリルアミド、グリセロール、ジメタクリレート、及びこれらの組み合わせが挙げられ得る。
【０１１９】
いくつかの実施例において使用され得る架橋剤の量は、例えば、反応混合物内の反応性構成成分１００グラム当たり、約０．０００４１５〜約０．０１５６モルの範囲であり得る。使用される親水性架橋剤の量は一般的に、約０〜約２重量％、例えば、約０．５〜約２重量％であり得る。反応性混合物の粘度を増加させることができ、及び／又は遅反応性親水性モノマーとの水素結合の度合いを増加させることができる、親水性ポリマー成分（例えば、高分子量親水性ポリマー）が望ましい場合がある。
【０１２０】
高分子量親水性ポリマーは、改善された湿潤性をもたらし、いくつかの実施例では、本発明のセパレータに対する湿潤性を改善することができる。非限定的な実施例において、高分子量親水性ポリマーは、水素結合受容体であると考えられ、これは水性環境において水と水素結合し、よって効果的により親水性となる。水の非存在は、反応混合物中への親水性ポリマーの取り込みを促進し得る。具体的に指定された高分子量親水性ポリマーの他に、任意の高分子量ポリマーが本発明で有用であることが予想されるが、但し、ポリマーを典型的なシリコーンハイドロゲル配合物に加えたときに、親水性ポリマーが（ａ）反応性混合物から実質的に相分離せず、かつ（ｂ）結果として生じる硬化ポリマーに湿潤性を与えることを条件とする。
【０１２１】
いくつかの実施例において、高分子量親水性ポリマーが、処理温度において、希釈剤中に溶解可能であり得る。水、又はイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの水溶性希釈剤を使用する製造プロセスは、プロセスが単純で低コストであることから、望ましい実施例であり得る。これらの実施例において、処理温度において水溶性である、高分子量親水性ポリマーもまた、望ましい実施例であり得る。
【０１２２】
高分子量親水性ポリマーの例としては、ポリアミド、ポリラクトン、ポリイミド、ポリラクタム、並びに、例えばＰＶＰ及びそのコポリマー、あるいは、比較的に少ないモル量のＨＥＭＡのようなヒドロキシル官能性のモノマーと共にＤＭＡを共重合してからその得られたコポリマーのヒドロキシル基をラジカルな重合性の基を含む材料と共に反応させることにより官能性化されているＤＭＡのような、官能性化したポリアミド、ポリラクトン、ポリイミド、ポリラクタムを挙げることができるが、これらに限定されない。高分子量親水性ポリマーとしては、ポリ−Ｎ−ビニルピロリドン、ポリ−Ｎ−ビニル−２−ピペリドン、ポリ−Ｎ−ビニル−２−カプロラクタム、ポリ−Ｎ−ビニル−３−メチル−２−カプロラクタム、ポリ−Ｎ−ビニル−３−メチル−２−ピペリドン、ポリ−Ｎ−ビニル−４−メチル−２−ピペリドン、ポリ−Ｎ−ビニル−４−メチル−２−カプロラクタム、ポリ−Ｎ−ビニル−３−エチル−２−ピロリドン、及びポリ−Ｎ−ビニル−４，５−ジメチル−２−ピロリドン、ポリビニルイミダゾール、ポリ−Ｎ−−Ｎ−ジメチルアクリルアミド、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド、ポリ−２−エチルオキサゾリン、ヘパリンポリサッカリド、ポリサッカリド、これらの混合物及びコポリマー（ブロック又はランダム状、分枝状、多数鎖状、くし形状、又は星形状を含む）を挙げることができるがこれらに限定されない。ポリ−Ｎ−ビニルピロリドン（ＰＶＰ）  が特に望ましい例であり得、その場合、ＰＶＰは、内部浸透性の網状構造を形成するためにヒドロゲル組成物に添加されており、この網状構造は低い表面摩擦性及び低い脱水速度を示す。
【０１２３】
当該技術分野において一般的に既知であり得る追加の成分及び添加剤を含むこともできる。添加剤としては、紫外線吸収性化合物、ＣＧＩ  ８１９などの光開始剤、反応性着色剤、抗菌性化合物、顔料、光発色剤、剥離剤、及びこれらの組み合わせ等を挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１２４】
こうした種類のセパレータに関連する方法はまた、ＣＧＩ  ８１９を受容することと、次にＰＶＰ、ＨＥＭＡ、ＥＧＤＭＡ、及びＩＰＡと混合することと、次に熱源又は光子への暴露によって、得られた混合物を硬化することと、も含み得る。いくつかの実施例では、光子への暴露は、光子のエネルギーが、電磁スペクトルの紫外部において生じる波長と一致する場合に実施してもよい。重合反応において一般的に実施される他の重合開始方法は、本発明の範囲内である。
【０１２５】
相互接続
相互接続により、外部回路と接続された電池との間に電流を流れさせてもよい。そのような相互接続は、電池の内部環境及び外部環境と接合することができ、これら環境の間の境界又は封止部を越えることができる。こうした相互接続は、外部回路との接続を形成し、電池封止部を通過した後、電池内の集電体と接続するトレースと見なすことができる。そのため、こうした相互接続はいくつかの要件を有し得る。電池外部において、相互接続は、典型的なプリント回路トレースに類似していてもよい。トレースは他のトレースとはんだ付けされるか、ないしは別の方法で接続されてよい。電池が、集積回路を含む回路基板とは別の物理的要素である例では、電池相互接続により外部回路との接続が可能となってもよい。この接続は、はんだ付け、導電性テープ、導電性インク若しくは導電性エポキシ、又は他の手段で形成されてもよい。相互接続トレースは、電池外部の環境に耐える（例えば、酸素の存在下で腐食しない）必要があり得る。
【０１２６】
相互接続部は電池封止部を貫通するので、相互接続が封止部と共存し、かつ封止を可能にすることが非常に重要であり得る。封止部と電池パッケージとの間で必要となり得る接着に加えて、封止部と相互接続部との間の接着が必要となり得る。電池内部の電解質及び他の材料の存在下では、封止完全性が維持される必要があり得る。相互接続部は、典型的には金属性であり、電池パッケージングの破損点として知られている場合がある。電位及び／又は電流の流れにより、電解質が相互接続部に沿って「クリープ」する傾向が増大する場合がある。したがって、相互接続は、封止完全性を維持するように設計する必要があり得る。
【０１２７】
電池内部において、相互接続は、集電体と接合してもよく、又は集電体を実際に形成してもよい。この点で、相互接続は、本明細書に記載される集電体の要件を満たす必要があり得、又は、かかる集電体と電気的接続を形成する必要があり得る。
【０１２８】
相互接続部及び集電体の候補となる１つの分類は、金属箔である。そのような金属箔は、２５マイクロメートル以下の厚さで利用可能であり、この厚さにより金属箔は、非常に薄型の電池に適したものとなる。そのような箔はまた、低表面粗さ及び低汚染の状態で得ることができ、これら２つの要素は電池性能にとって重要であり得る。箔としては、亜鉛、ニッケル、黄銅、銅、チタン、他の金属、及び種々の合金を挙げることができる。
【０１２９】
集電体及び電極
集電体及び電極設計の多くは、集電体及び電極を形成するために側壁上に金属膜を堆積させることによって又は金属ワイヤを基板として用いることによって形成されると想定される。これらの例については例示した。それにもかかわらず、管電池形式において他の集電体又は電極設計を用いるいくつかの設計が存在する場合がある。
【０１３０】
亜鉛炭素電池及びルクランシェ電池のいくつかの実施例では、カソード集電体は、焼結した炭素棒であってよい。この種の材料は、本発明の薄型電気化学セルの技術的障害に直面する場合がある。いくつかの実施例では、印刷されたカーボンインクが、薄型電気化学セルにおいて、焼結した炭素棒の代わりにカソード集電体で使用される場合があり、こうした実施例では、得られる電気化学セルに有意な損害を与えることなく、得られる装置を形成することができる。典型的には、上記カーボンインクは、ポリマー膜、又は場合によっては金属箔を含む場合があるパッケージング材に、直接適用することができる。パッケージング膜が金属箔であり得る実施例では、カーボンインクは、下にある金属箔を、電解質による化学的な劣化及び／又は腐食から保護する必要があり得る。更に、こうした実施例では、カーボンインク集電体は、電気化学セルの内側から電気化学セルの外側まで電気を伝導する必要があり得るので、カーボンインクの周り又は全体の封止を必要とする。
【０１３１】
カーボンインクはまた、厚さが有限の比較的薄い（例えば、１０〜２０マイクロメートルの）層で塗布されてもよい。パッケージ内部の総厚さがわずか約１００〜１５０マイクロメートルであり得る薄型電気化学セル設計では、カーボンインク層の厚さは電気化学セルの総内容積のかなりの割合を占め、それによりセルの電気的性能にマイナスの影響を与える場合がある。更に、電池全体、特に集電体の薄い性質は、集電体の断面積が小さいことを意味し得る。トレースの抵抗は、トレースの長さと共に増大し、断面積と共に低減するので、集電体の厚さと抵抗との間には直接トレードオフであってもよい。カーボンインクのバルク抵抗率は、薄型電池の抵抗要件を満たすには不十分であり得る。銀又は他の導電性金属を充填したインクはまた、抵抗及び／又は厚さを低下させると考えられるが、新規な電解質との不適合性といった新たな課題をもたらし得る。こうした要因を考慮すると、いくつかの実施例では、薄い金属箔を集電体として使用することによって、又は薄い金属膜を下にあるポリマーパッケージング層に適用して集電体として機能させることによって、本発明の高効率で高性能の薄型電気化学セルを実現するのが望ましくあり得る。そのような金属箔の固有抵抗は有意に低くあり得るので、印刷されたカーボンインクよりもはるかに薄い厚さで、電気的抵抗に関する要件を満たすのが可能となる。
【０１３２】
いくつかの例では、管形態のうちの１つ又は２つ以上を、電極及び集電体に対する基板として、又は集電体それ自体として用いてもよい。いくつかの例では、管形態の金属の表面に堆積物を形成してもよい。例えば、金属管部片は、スパッタリングされた集電体金属又は金属積層物に対する基板として機能してもよい。カソード集電体として有用な金属積層体の実施例は、Ｔｉ−Ｗ（チタン−タングステン）接着層及びＴｉ（チタン）導体層であり得る。アノード集電体として有用な例示的な金属積層体は、Ｔｉ−Ｗ接着層、Ａｕ（金）導体層、及びＩｎ（インジウム）蒸着層であり得る。ＰＶＤ層の厚さは、合計で５００ｎｍ未満であってよい。金属の多層を用いる場合、電気化学的特性及びバリア特性は電池と適合している必要があり得る。例えば、導電体の厚い層を成長させるために、シード層の上に銅を電気めっきしてもよい。銅の上に追加の層をめっきしてもよい。しかしながら、銅は、特に亜鉛の存在下において、特定の電解質と電気化学的に不適合であり得る。したがって、電池内の層として銅を使用する場合、電池電解質から銅を十分に隔離する必要があり得る。あるいは、銅を除外してもよく、又は他の金属で置き換えてもよい。
【０１３３】
また多くの材料から形成されるワイヤを用いて、集電体、及び／又は電極に対する基板を形成してもよい。いくつかの例では、金属導体は絶縁体材料、例えばガラス又はセラミックに進入して、絶縁された集電装置のコンタクトをもたらしてもよい。いくつかの例では、ワイヤはチタンでできていてもよい。他の例では、限定されないが、アルミニウム、タングステン、銅、金、銀、プラチナを含む他の卑金属を用いてもよく、これらは表面膜が適用されていてもよい。
【０１３４】
カソード混合物及び堆積
本発明の概念と一致し得る多数のカソード化学物質混合物が存在し得る。いくつかの実施例では、電池のカソードを形成するために用いられる化学配合物を表す用語であり得るカソード混合物は、ペースト、ゲル、懸濁液、又はスラリーとして適用されてもよく、かつ、二酸化マンガンなどの遷移金属酸化物、例えば、カーボンブラック又は黒鉛のような導電性粉末の形態であり得るある種の形態の導電性添加剤、及びポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）又は他の何らかの結合剤添加物などの水溶性ポリマーを含み得る。いくつかの実施例では、結合剤、電解質塩、腐食防止剤、水又は他の溶媒、界面活性剤、レオロジー変性剤、及び導電性ポリマーなどの他の導電性添加剤のうちの１つ又は２つ以上の他の成分が含まれてもよい。カソード混合物は、配合されて適切に混合されると、セパレータ及び／又はカソード集電体の所望部分の上に分配することができるか、あるいは同様のやり方でスクリーン又はステンシルを通してスキージングすることができる、望ましいレオロジーを有することができる。いくつかの実施例では、カソード混合物は、後のセル組み立て工程で使用する前に乾燥させてもよいが、他の実施例では、カソードは、電解質成分の一部又は全てを含んでいてもよく、選択した含水量まで部分的に乾燥させるだけであってもよい。
【０１３５】
遷移金属酸化物は、例えば、二酸化マンガンであってよい。カソード混合物で用いることができる二酸化マンガンは、例えば、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）であり得、その理由は、この種の二酸化マンガンから得られる比エネルギーが、天然二酸化マンガン（ＮＭＤ）又は化学二酸化マンガン（ＣＭＤ）などの他の形態と比べて有利に付加的であることによる。更に、本発明の電池で有用なＥＭＤは、堆積可能又は印刷可能なカソード混合物ペースト／スラリーをもたらすことができる粒径及び粒径分布を有する必要があり得る。具体的には、ＥＭＤを処理して、電池の内寸、セパレータ厚さ、分注チップの直径、ステンシル開口部寸法、又はスクリーンメッシュ寸法などの他の特徴に対して大きいと考えられ得る、著しく大きな粒子成分を除去してもよい。また、粒径の最適化を用いて、電池性能（例えば、内部インピーダンス及び放電能）を改善してもよい。
【０１３６】
ミル粉砕は、粉砕、研削、切断、振動、又は他のプロセスによる、ある平均粒径からより小さい平均粒径への固体材料の縮小である。ミル粉砕はまた、有用な材料が埋め込まれていてよいマトリックス材料から有用な材料を取り除くため、及び鉱物を濃縮するために使用され得る。ミル粉砕機は、研削、粉砕、又は切断により、固体材料をより小さな片に破砕する装置である。ミル粉砕のための手段は複数存在し、それらの手段で処理される多様な材料が存在し得る。そのようなミル粉砕手段としては、他のミル粉砕の代替手段の中でも、ボールミル、ビーズミル、乳鉢と乳棒、ローラプレス、及びジェットミルを挙げることができる。ミル粉砕の一例は、ジェットミル粉砕であり得る。ミル粉砕の後、固体の状態（例えば、粒径、粒径配列、及び粒子形状）が変化する。凝集体をミル粉砕する工程はまた、凝集体から混入物又は水分を除去又は分離して、移送又は構造物充填に先立って「乾燥充填物」を作製するために用いられてもよい。一部の機器は、粒径が最小粒径及び最大粒径の両方によって限定された粒子の混合物に固体材料を分類するために、種々の技術を組み合わせることができる。かかる加工は、「分級」又は「分類」と呼ばれる場合がある。
【０１３７】
ミル粉砕は、カソード混合物成分の粒径分布を均一にするための、カソード混合物の製造の一態様であり得る。カソード混合物中の均一な粒径は、カソードの粘度、レオロジー、電気伝導性、及び他の特性を補助することができる。ミル粉砕は、カソード混合物成分の凝集、つまり塊集を制御することによって、こうした特性を補助することができる。凝集（カソード混合物の場合には炭素同素体及び遷移金属酸化物であり得る、異種の要素のクラスタリング）は、図１１に示すように所望のカソードキャビティ内にボイドが残ることにより、充填プロセスにマイナスの影響を与える場合がある。
【０１３８】
また、濾過は、凝集した又は望ましくない粒子を除去するための、別の重要な工程であり得る。望ましくない粒子としては、大き過ぎる粒子、混入物、又は調製プロセスにおいて明示的に理由が与えられない他の粒子を挙げることができる。濾過は、濾紙濾過、真空濾過、クロマトグラフィ、精密濾過、及び他の濾過手段といった手段によって達成され得る。
【０１３９】
いくつかの実施例では、ＥＭＤは、７マイクロメートルの平均粒径を有していてよく、大径粒子の含有量は、最大約７０マイクロメートルまでの粒子を含み得る。代替実施例では、大径粒子の含有量を一定の閾値未満（例えば、２５マイクロメートル以下）に限定するために、ＥＭＤをふるいにかけ、更に粉砕し、ないしは別の方法で分離又は処理してもよい。
【０１４０】
またカソードには、酸化銀、塩化銀、又はオキシ水酸化ニッケルが含まれていてもよい。かかる材料は、二酸化マンガンと比べて、容量を増大させ、かつ放電時の負荷時電圧の低下を少なくすることができ、これらは共に電池において望ましい特性である。こうしたカソードベースの電池は、業界及び文献に見られる現行例を有し得る。二酸化銀カソードを用いる新規な超小型電池は、生体適合性電解質（例えば、水酸化カリウムの代わりに塩化亜鉛及び／又は塩化アンモニウムを含むもの）を含んでいてよい。
【０１４１】
カソード混合物のいくつかの例は、ポリマー結合剤を含んでいてもよい。結合剤は、カソード混合物においていくつかの機能を果たすことができる。結合剤の主要機能は、ＥＭＤ粒子と炭素粒子との間に、粒子間の十分な電気的ネットワークを作り出すことであり得る。結合剤の２つ目の機能は、カソード集電体に対する機械的接着及び電気的接触を促進することであり得る。結合剤の３つ目の機能は、好都合に分配及び／又はステンシリング／スクリーニングするために、カソード混合物のレオロジー特性に影響を与えることであり得る。更に、結合剤の４つ目の機能は、カソード内への電解質の吸い上げ及び分布を向上させることであり得る。
【０１４２】
結合剤ポリマーの選択並びに使用する量は、本発明の電気化学セルにおけるカソードの機能にとって有益であってよい。使用する電解質に結合剤ポリマーが可溶性であり過ぎる場合には、結合剤の主要機能（即ち、電気的導通）は、セルが機能しなくなる程度まで大幅な影響を受け得る。これに対して、使用する電解質に結合剤ポリマーが不溶性であり過ぎる場合には、ＥＭＤの一部は電解質からイオン的に絶縁され、その結果、容量低下、開回路電圧の低下、及び／又は内部抵抗の上昇など、セル性能が衰える。
【０１４３】
結合剤は、疎水性であってよく、また親水性であってもよい。本発明にとって有用な結合剤ポリマーの例としては以下が挙げられる。とりわけ、ＰＶＰ、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、スチレン末端ブロックを含むゴムのようなトリブロックコポリマー（例えばＫｒａｔｏｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓによって製造されるもの）、スチレンブタジエンラテックスブロックコポリマー、ポリアクリル酸、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、フルオロカーボン固体、例えばポリテトラフルオロエチレン、セメント、例えばポルトランドセメント。
【０１４４】
溶媒は、カソード混合物の１つの構成要素であり得る。溶媒は、カソード混合物を湿潤させるのに有用であり得、それにより混合物の粒子分布を助けることができる。溶媒の一例はトルエンであり得る。界面活性剤もまた、カソード混合物の湿潤（したがって分布）に有用であり得る。界面活性剤の一例は、洗剤、例えばトリトン（商標）ＱＳ−４４（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）であってもよい。トリトン（商標）ＱＳ−４４は、カソード混合物中の凝集された成分の解離を助けて、カソード混合物成分のより一様な分布を可能にする場合がある。
【０１４５】
導電性炭素は、典型的には、カソードの作製に使用され得る。炭素は、多くの同素体、又は異なる構造修飾を形成することができる。異なる炭素同素体は、電気伝導率の変動を可能にする異なる物理特性を有する。例えば、カーボンブラックの「弾力性」は、集電体へのカソード混合物の貼着を助けることができる。しかしながら、必要となるエネルギー量が比較的小さいエネルギー印加素子では、こうした電気伝導率の変動は、他の特性の中でも特に、密度、粒径、熱伝導率、及び相対的統一性などの他の有利な特性と比べて、あまり重要ではない場合がある。炭素同素体の例としては、ダイヤモンド、黒鉛、グラフェン、比結晶質炭素（非公式にはカーボンブラックと呼ばれる）、バックミンスターフラーレン、ガラス状炭素（ガラス質炭素とも呼ばれる）、カーボンエアロゲル、及び電気を通すことができる他の可能な形態の炭素が挙げられる。炭素同素体の一例は黒鉛であり得る。
【０１４６】
いくつかの例では、カソードを管壁又はワイヤ形態カソード集電体上に堆積させてもよい。管壁及びワイヤは、いくつかの例では金属製であってもよく、その上にカソード化学物質例えば二酸化マンガンが電着されていてもよい。他の例では、電解二酸化マンガンのコーティングをカソード集電体上に形成してもよい。
【０１４７】
電着二酸化マンガンカソードの堆積
記載したように、カソードは、エネルギー印加電極本体上に電着させることができる。いくつかの例では、カソードは、金属導電性電極上に電着二酸化マンガン膜を備えてもよい。例えば、２ｍｍの直径を有するチタン棒（＞９９．９９％純粋）は、二酸化マンガンの電着用の基材として使用することができる。電着の前に、基材は、物理的に粗面化されるか、又は化学的にエッチングされ、アセトンなどの適切な溶媒で濯いで、その表面を清浄化することができる。いくつかの例では、電着は、三電極セルで行うことができ、二電極セルも同様に機能することができる。基材及び周辺の化学物質は、約９６℃などまで加熱することができるが、広範の温度範囲が可能とすることができ、いくつかの例では、より高い温度が、種々の理由で好ましい場合もある。基材は、ほぼ５０ｍｍ２のめっき表面積を有し得る。しかしながら、これらの実験のセットでは、電着は、１．０ＭのＭｎＳＯ４＋０．４ＭのＨ２ＳＯ４を含む溶液を含み得るＥＭＤ電着用に商業的に使用されるものに類似する組成を有する電解質で行われた。いくつかの例では、電着は、マンガン堆積物の安定かつ緻密な層を基材上に形成するために、初期には、１９Ａ／ｍ２などの定電流密度で１分間にわたって行うことができる。次いで、ＥＭＤの多孔質層を緻密層の頂部に堆積させるために、電流密度は段階的に、例えば６６又は１１２Ａ／ｍ２まで増加させることができる。
【０１４８】
図１１を参照すると、チタン棒上の電着ＥＭＤの試料がセルのカソードとして使用され、亜鉛箔がアノードとして使用される性能試験からの結果を例示している。このグラフは、セル電位１１１０をセルから放電された電荷１１１５に対比して描写している。アノード及びカソードは、試験セットでは物理的に隔離されており、これらは、ＮＨ４Ｃｌ（２６．０重量％）、ＺｎＣｌ２（８．８重量％）、及びＨ２Ｏ（６５．２重量％）の組成を有する電解質中に位置付けられる。例示した試験結果は、周囲温度で動作されたセルの０．０５ｍＶ／ｓの一定の放電率で、直線掃引ボルタンメトリー（ＬＳＶ）を使用することによって取得された。各電池セルの容量は、最大１．０Ｖのセル電位（Ｚｎ電極に対する）で算出することができる。異なる試料について得られた異なる電気曲線が存在し、この差は、チタン棒上に電着された二酸化マンガンの量であった。
【０１４９】
以下の表では、異なる試料に対する列挙された処理条件についての例示の結果を示す。
【０１５０】
【表１】
2018067542.tif 000003
【０１５１】
したがって、算出された４．１μｍの堆積物の厚さについて、曲線１１２１が得られる。算出された８．３μｍの堆積物の厚さについて、曲線１１２２が得られる。算出された１２．４μｍの堆積物の厚さについて、曲線１１２３が得られる。算出された１６．５μｍの堆積物の厚さについて、曲線１１２４が得られる。また算出された３３．０μｍの堆積物の厚さについて、曲線１１２５が得られる。
【０１５２】
ＳＥＭ分析用の試料は、同じ処理条件を使用して調製することができる。図１２を参照すると、電着二酸化マンガン堆積物についての全てをカバーする顕微鏡写真１２１０並びに例示の断面１２２０が示されている。
【０１５３】
ＥＭＤ電極を有する例示の電気化学的エネルギー生産セル
述べたように、本発明は、１００ｍｇ未満のＥＭＤを正極活物質として収容する非常に小さい電気化学セルの設計及び構築に、特に、１０ｍｇ未満のＥＭＤを正極活物質として収容するマイクロ電気化学セルの構築に、特に有利であり得る。１００ｍｇの固体ＥＭＤ  ２０を収容するセルにおいて、ＥＭＤは、約３．４５ｇ−ｃｍ−３のＥＭＤエンベロープ密度に基づいて、約２９．０μｌの容積を占有することができる。このような薄型の又は非常に小さいセルにおいて、固体ＥＭＤ正電極の厚さは、１，０００マイクロメートル未満に保持することができ、より好ましくは、１００マイクロメートル未満、又は更には５０マイクロメートル未満に保持することができる。
【０１５４】
このことは、いかなる導電性添加剤の不在下においても、低電子抵抗が固体のＥＭＤ正極の厚さにわたって維持されることを可能にするために、有利であり得る。
【０１５５】
非限定的な例では、３．４５ｇ−ｃｍ−３の典型的エンベロープ密度を有する、およそ１００マイクロメートルの厚さの固体ＥＭＤ堆積物が形成され得る。このような例では、１ｃｍ×１ｃｍ×１００マイクロメートルの寸法を有する電極について算出された抵抗は、１０オームとすることができる。この堆積物の容積は、およそ０．１ｃｍ３とすることができ、質量は０．３４５ｇ又は３４５ｍｇとすることができる。ＭｎＯ２含量は、約３１６ｍｇとすることができる。このような例は、およそ９７．３ｍＡｈの理論上想定される１ｅ−容量を有することができる。
【０１５６】
いくつかの例では、意図される放電率は、約Ｃ／２４など低いことが可能であり、これは、およそ４．０５ｍＡの定電流と同等であり得る。典型的なＺｎ−ＭｎＯ２セル、亜鉛炭素又はアルカリについては、このような低ドレーンでの平均放電電圧は、約１．２Ｖとすることができる。１０オームの法則、Ｅ＝ＩＲから、約Ｒ＝Ｅ／Ｉ＝１．２Ｖ／４．０５ｍＡ＝０．２９６Ｋ−オーム＝２９６オームの負荷を算出することができる。
【０１５７】
したがって、１００マイクロメートルの厚い堆積物であっても、堆積物の抵抗の回路の全体の抵抗への寄与は、約２９６オームの加えられた負荷に対比してわずか約１０オームとすることができ、これは、総抵抗の約３％に相当する。より薄い堆積物は、更に少ない効果を有し得る。これは、Ｃ／６０又はＣ／１００などのより低い放電率に対しても該当するであろう。
【０１５８】
いくつかの例では、固体ＥＭＤ電極が製造され、同様な率で放電され、１２０％〜１３０％の理論的容量を示した。したがって、電池の小型又はマイクロセル形態に対する設計制約は、固体ＥＭＤ電極を用いることで大幅に向上させることができ、いくつかの例では、設計者は、固体ＥＭＤ正極を収容する小型又はマイクロセルを設計するときに理論上の全容量を推定することができる。
【０１５９】
一例では、ＥＭＤ堆積物は、電池グレードのＥＭＤの製造のための典型的な商用条件を利用して生産されてもよい。これらは、マンガンを含有する浴をおよそ摂氏９４〜９８度の温度で維持することを含む。いくつかの例では、浴の組成は、０．０９〜１．２モル／リットルのＭｎＳＯ４、並びに０．２〜０．８モル／リットルの硫酸Ｈ２ＳＯ４を含むことができる。いくつかの例では、導電性支持体へのめっきは、２７〜８６Ａ／ｍ２（２．５〜８．０Ａ／ｆｔ２）のおよその電流密度を有する印加電流を続行することができる。
【０１６０】
他の例では、上記に列挙された例示の範囲の外側にあるこれらのパラメータについての条件が使用されてもよく、接着、破砕強度、有孔率、導電率及び種々の放電率での放電効率などの他の所望のパラメータに対する改善をもたらし得る。
【０１６１】
ＥＭＤは、炭素、炭素充填導電性ポリマー、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ又はＡｕ若しくはこれらの元素を含有する導電性合金又は導電性化合物などの種々の導電性基材上にめっきされてもよい。好ましい基材は、Ｔ１、Ｚｒ及び炭素繊維若しくは炭素布とすることができる。
【０１６２】
基材の形状は、それが使用されることになる電気化学エネルギー生産セルの設計に応じてもよい。例えば、セルが円筒形状のものであるならば、このときは、ワイヤ又はスレッド若しくは長繊維などの円筒状基材が用いられてもよい。セルが薄型の平面的な設計のものであるならば、このときは、箔、織布又は細い繊維などの平坦基材が使用されてもよい。
【０１６３】
平坦な平面設計の例示的な場合において、ＥＭＤ電極は、平面集電体の片面又は両面にめっきされてもよい。２つの面へめっきすることは、めっき処理中に、又はエネルギー生産セルで放電されるときに、堆積物の歪み及び剥離を引き起こし得る機械的ストレスの低減に関して有利であり得る。
【０１６４】
めっき後に、めっき浴からの残留溶液（ＭｎＳＯ４及びＨ２ＳＯ４）を除去するために、堆積された電極を純水で濯ぐことが望ましいとされ得る。めっき処理された電極を、それを屈曲又は機械的衝撃から保護するやり方で保管することも望ましいとされ得る。いくつかの例では、電極は、摂氏６０度未満の中温で乾燥されるか、又は部分的に乾燥されてもよい。電極を、それがエネルギー生産セルを構築するために使用されるまで、湿気状態で保管することは利点があり得る。
【０１６５】
固体ＥＭＤ電極が可撓性の平坦な基材上にめっきされるならば、そのときは、これはまた、渦巻き形の又は積層された円筒形若しくは角形セルで使用されてもよい。いくつかのこのような例では、得られたセルは、合計で１００ｍｇを超えるＥＭＤを収容することができる。
【０１６６】
非限定的な例では、電極は、薄いＴｉ箔の２つの面上にめっきされ、箔の両側で１０〜２００マイクロメートルの最終的なＥＭＤの厚さとしてもよい。次に、薄型の多孔質セパレータが、めっき電極の両面上に定置されてもよく、次いで、Ｚｎの単一の箔を、１つの又は他のセパレータ上に定置させることができる。得られた組立体は、次いで、ゼリーロール形状に巻かれ、円筒形又は角形容器に挿入され、電解質で湿らすことができる。
【０１６７】
あるいは、セパレータ／めっき箔／セパレータ／Ｚｎ箔のサンドイッチ形状が組み立てられると、これは、アコーディオンのように前後に折り畳まれて、角形状、正方形又は矩形をもたらし、次いで角形状容器に挿入することができる。種々の層が、接続された多角形の配列として、例えば付着した六角タイルの配列として、切断又は穿孔されるならば、このときは、多角形断面が、折り畳みの後に、アコーディオン様式で製造されてもよい。
【０１６８】
円筒形又は角形のどちらの形状が選択されようとも、エネルギーセルは、極めて高い幾何学的面積及び非常に薄い電極並びにセパレータ層を有することができ、１．５〜１．８Ｖの動作電圧での、電解コンデンサのものに近づく極端に高いレート能力につながる。
【０１６９】
アノード及びアノード腐食防止剤
本発明の管電池に対するアノードは、例えば、亜鉛を含んでいてもよい。従来の亜鉛炭素電池では、亜鉛アノードは物理的に缶の形状をとることができ、その中に電気化学セルの内容物を収容することができる。本発明の電池では、亜鉛缶は一例であり得るが、超小型電池設計を実現するために望ましい形状を提供することができる、他の物理的形状の亜鉛が存在する場合がある。
【０１７０】
亜鉛の電気めっきは、例えば、金属構成要素の保護コーティング又は美観用コーティングなどの多くの産業における用途におけるプロセスタイプである。いくつかの実施例では、電気めっき亜鉛は、本発明の電池に有用な薄型の共形アノードを形成するために使用することができる。更に、電気めっき亜鉛は、設計意図に応じて多くの異なる構成でパターン化される場合がある。電気めっき亜鉛をパターニングするための容易な手段は、フォトマスク又は物理的なマスクを用いた加工であり得る。フォトマスクにおける場合では、フォトレジストが導電性基板に塗布されてもよく、引き続いてこの基板上に亜鉛をめっきすることができる。次に、フォトマスクを用いてフォトレジストに所望のめっきパターンを投影し、それによってフォトレジストの選択領域を硬化させることができる。次に、適切な溶媒及び清掃技術を用いて、未硬化のフォトレジストを除去することができる。こうして、導電材料のパターン領域を得、このパターン領域上に亜鉛電気めっき処理を施すことができる。この方法は、めっきされる亜鉛の形状又は設計に利益をもたらすことができるが、この技法は、セルパッケージ構造体全体に対して拘束性を有し得る、入手可能なフォトパターニング可能な材料を使用することを必要とし得る。したがって、本開示の超小型薄型電池のいくつかの設計を実現するために、亜鉛をパターニングするための新しい新規な方法が必要とされ得る。
【０１７１】
亜鉛用マスクを配置した後に、１つ又は２つ以上の金属材料の電気めっきを行ってもよい。いくつかの実施例では、亜鉛を、黄銅などの電気化学的に適合性のあるアノード集電体箔上に直接電気めっきしてもよい。アノード側のパッケージングがポリマー膜又は多層ポリマー膜を含み、そのような膜の上にシードメタライゼーション（seed metallization）が適用されている代替設計例では、亜鉛、及び／又は亜鉛を堆積させるために使用するめっき溶液が、下にあるシードメタライゼーションと化学的に適合性がない場合がある。適合性の欠落は、膜の亀裂、腐食、及び／又はセル電解質と接触した際のＨ２発生の悪化として顕在化し得る。そのような場合、シード金属に追加の金属を塗布して、システムの全体的な化学的適合性の改善に影響を与えてもよい。電気化学セル構造体において特に有用性を見出すことができる金属の１種は、インジウムであり得る。インジウムは、電池グレードの亜鉛において合金化剤として広く使用することができ、その主な役割は、電解質の存在下で亜鉛に防食性をもたらすことである。いくつかの実施例では、インジウムは、Ｔｉ−Ｗ及びＡｕなどの様々なシードメタライゼーション上に首尾良く堆積させることができる。上記シードメタライゼーション層上に得られる１〜３マイクロメートルのインジウム膜は、低応力であり、接着性であり得る。このようにして、アノード側のパッケージング膜、及びインジウム最上層を有する取り付けられた集電体は、応従可能で耐久性があってもよい。いくつかの実施例では、インジウム処理の施された表面上に亜鉛を堆積させることが可能であり得るが、得られる堆積物は非常に不均一で小塊を有する場合がある。この影響は、低電流密度設定（例えば、２０アンペア毎平方フィート（ＡＳＦ））で起こり得る。顕微鏡で見ると、下にある滑らかなインジウム堆積物上に亜鉛の小塊が形成されているのを観察することができる。ある種の電気化学セル設計において、亜鉛アノード層のための垂直空間許容度は、最大で約５〜１０マイクロメートル厚さであり得るが、いくつかの実施例では、亜鉛めっきに低電流密度を用いる場合があり、その結果生じる小塊の成長は、アノードの最大垂直厚さよりも高くなる可能性がある。亜鉛小塊の成長は、インジウムの過電圧が高いことと、インジウムの酸化物層の存在が組み合わさることにより生じる可能性がある。
【０１７２】
いくつかの実施例では、より高い電流密度でのＤＣめっきにより、インジウム表面上の比較的大きな亜鉛小塊成長パターンを克服する場合がある。例えば、１００ＡＳＦめっき条件は小塊亜鉛を生じさせ得るが、亜鉛小塊の寸法は、２０ＡＳＦめっき条件と比べて著しく縮小され得る。更に、小塊の数は、１００ＡＳＦめっき条件下で非常に多くなり得る。得られる亜鉛膜は、最終的には、約５〜１０マイクロメートルの垂直空間許容度を満たしながらも、小塊成長の残存特徴を若干有する、ほぼ均一な層へと融合することができる。
【０１７３】
電気化学セルにおけるインジウムの別の利益は、亜鉛を含有する水性電気化学セルで起こるゆっくりとしたプロセスであり得る、Ｈ２形成の減少であり得る。インジウムは、アノード集電体のうちの１つ又は２つ以上に、共めっき合金化成分としてアノード自体に、又は電気めっき亜鉛上の表面コーティングとして、有利に塗布され得る。後者のケースでは、インジウム表面コーティングは、三塩化インジウム又は酢酸インジウムなどの電解質添加剤を通じてその場で塗布されるのが望ましくあり得る。そのような添加剤が低濃度で電解質に添加され得る場合、インジウムは、露出している亜鉛表面、並びに露出しているアノード集電体の一部に、自然発生的にめっきされ得る。
【０１７４】
市販の一次電池で一般に使用されている亜鉛及び類似のアノードは、典型的には、シート、ロッド、及びペーストの形態で入手できる。小形生体適合性電池のアノードは、同様な形態のもの（例えば薄箔）であってもよく、又は前述したようにめっきされてもよい。このアノードの特性は、例えば、加工及びめっきプロセスに起因する汚染物質又は表面仕上げが異なるため、既存の電池の特性と著しく異なり得る。したがって、電極及び電解質は、容量、インピーダンス、及び貯蔵寿命要件を満たす特別な設計を必要とし得る。例えば、特殊なめっき工程パラメータ、メッキ浴組成、表面処理、及び電解質組成は、１５個の電極性能を最適化するために必要であり得る。
【０１７５】
電池アーキテクチャ及び製造
電池アーキテクチャと製造技術は密接に関連し合っている場合がある。本発明の以前のセクションで説明したように、電池は以下の要素を有していてもよい。カソード、アノード、セパレータ、電解質、カソード集電体、アノード集電体、及び管形態収容。いくつかの例では、設計は二重用途の構成要素を有していてもよく、例えば、金属パッケージ缶又は管を用いて集電体を兼ねてもよい。相対容積及び厚さの観点から、こうした素子は、カソードを除き、ほぼ全て同じ容積であってよい。いくつかの実施例では、機械的密度、エネルギー密度、放電効率、材料純度、並びに、結合剤、充填剤、及び導電剤の有無が有意に異なることから、電気化学システムは、カソードの容積の約２〜１０倍のアノードを必要とし得る。
【０１７６】
電池の生体適合性の側面
本発明による電池は、安全性及び生体適合性に関する重要な態様を有し得る。いくつかの例では、生物医学的装置は、典型的な使用例で求められるシナリオ以上の要件を満たす必要があり得る。いくつかの例では、設計的態様は、ストレスを与える事象に関連して考察され得る。例えば、電子コンタクトレンズの安全性は、レンズの挿入又は取り外しの際にユーザーがレンズを破壊した場合を考慮する必要があり得る。別の例では、設計的側面は、ユーザーの目に異物が当たる可能性を考慮してもよい。設計のパラメータ及び制約を生じさせ得ると考えられるストレスの多い状況の更なる例は、非限定的な例では、水中環境又は高地環境のような厳しい環境においてユーザーがレンズを装着する可能性に関する場合がある。
【０１７７】
このような装置の安全性は次の影響を受ける場合がある。装置が形成される材料、装置を製造するときに用いられる材料の数量、及び装置を周囲の身体上又は身体内環境から分離するために適用されるパッケージング。一例において、ペースメーカーは、電池を含む場合があり、かつ長期間にわたってユーザーの体内に埋め込まれる可能性がある、典型的な種類の生物医学的装置であり得る。いくつかの例では、かかるペースメーカーは、典型的には、溶接されたチタン気密容器で、又は他の例では、複数の封入層でパッケージ化される場合がある。新たに出現した電動式生物医学的装置は、パッケージング（特に電池パッケージング）に関する新たな課題を提示し得る。こうした新たな装置は、既存の生物医学的装置よりもかなり小さい場合があり、例えば、電子コンタクトレンズ又はピルカメラは、ペースメーカーよりも大幅に小さい場合がある。そのような例では、パッケージングのために利用可能な体積及び面積は、大幅に減少する可能性がある。限定された容積の利点は、材料及び化学物質の量を、本質的にユーザーへの暴露の可能性を安全限界値よりも低く制限するほど、大変少なくすることができることである。
【０１７８】
管ベースのアプローチは、特に密封封止を含んでいると、生体適合性を高める手段をもたらす場合がある。各管構成要素は、材料の出入りに対する著しいバリアをもたらす場合がある。更に、本明細書で説明してきた密封封止プロセスの多くを用いて、優れた生体適合性を有する電池が形成される場合がある。
【０１７９】
コンタクトレンズスカート
いくつかの実施例では、生物医学的装置内に封入層を形成し得る、好ましい封入材料は、シリコーン含有成分を含み得る。一実施例では、この封入層は、コンタクトレンズのレンズスカートを形成し得る。「シリコーン含有成分」とは、モノマー、マクロマー又はプレポリマ中に少なくとも１つの［−Ｓｉ−Ｏ−］単位を含有するものである。好ましくは、総Ｓｉ及び結合Ｏは、シリコーン含有成分中に、そのシリコーン含有成分の総分子量の約２０重量％よりも多い、より好ましくは３０重量％よりも多い量で存在する。有用なシリコーン含有成分は、好ましくは、アクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、ビニル、Ｎ−ビニルラクタム、Ｎ−ビニルアミド、及びスチリル官能基等の重合性官能基が含まれる。
【０１８０】
いくつかの実施例では、インサート封入層とも呼ばれる、インサートを取り囲む眼用レンズスカートが、標準ヒドロゲル眼用レンズ配合物から構成され得る。数々のインサート材料に対して許容可能な適合を提供することができる特徴を有した例示的な材料としては、Ｎａｒａｆｉｌｃｏｎファミリー（Ｎａｒａｆｉｌｃｏｎ  Ａ及びＮａｒａｆｉｌｃｏｎ  Ｂを含む）、及びＥｔａｆｉｌｃｏｎファミリー（Ｅｔａｆｉｌｃｏｎ  Ａを含む）が挙げられ得る。本明細書の技術と一致する材料の性質に関して、より技術的に包括的な説明が以下に続く。当業者は、記述された材料以外の他の材料もまた、封止及び封入される挿入物の許容可能なエンクロージャ又は部分的なエンクロージャを形成することができ、本請求項の範囲と一致しかつ本請求項の範囲内に含まれると見なされるべきであることを認識する場合がある。
【０１８１】
好適なシリコーン含有成分は、式Ｉの化合物を含み、
【０１８２】
【化１】
2018067542.tif 000004
（式中、
Ｒ１は、独立して、一価の反応基、一価のアルキル基、又は一価のアリール基、更に、ヒドロキシ、アミノ、オキサ、カルボキシ、アルキルカルボキシ、アルコキシ、アミド、カルバメート、カーボネート、ハロゲン、又はこれらの組み合わせから成る官能基を含み得る前述のもののいずれか；及び、更に、アルキル、ヒドロキシ、アミノ、オキサ、カルボキシ、アルキルカルボキシ、アルコキシ、アミド、カルバメート、ハロゲン又はそれらの組み合わせから選択される官能基を含み得る１〜１００個のＳｉ−Ｏ繰り返し単位を含む一価のシロキサン鎖、から選択され；
式中、ｂ＝０〜５００であり、ｂが０以外のとき、ｂは表示値と同等のモードを有する分布であると理解され、
少なくとも１つのＲ１が、一価反応性基を含み、いくつかの例では、１〜３個のＲ１は、一価の反応基を含む。
【０１８３】
本明細書で使用するとき、「一価の反応性基」は、フリーラジカル及び／又はカチオン重合を受ける場合がある基である。フリーラジカル反応性基の非限定的な例としては、（メタ）アクリレート、スチリル、ビニル、ビニルエーテル、Ｃ１〜６アルキル（メタ）アクリレート、（メタ）アクリルアミド、Ｃ１〜６アルキル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−ビニルラクタム、Ｎ−ビニルアミド、Ｃ２〜１２アルケニル、Ｃ２〜１２アルケニルフェニル、Ｃ２〜１２アルケニルナフチル、Ｃ２〜６アルケニルフェニル、Ｃ１〜６アルキル、Ｏ−ビニルカルバメート及びＯ−ビニルカーボネートが挙げられる。カチオン反応性基の非限定的な例としては、ビニルエーテル又はエポキシド基、及びこれらの混合物が挙げられる。一実施形態では、フリーラジカル反応性基は、（メタ）アクリレート、アクリルオキシ、（メタ）アクリルアミド、及びそれらの混合物を含む。
【０１８４】
好適な一価アルキル基及びアリール基としては、置換及び非置換のメチル、エチル、プロピル、ブチル、２−ヒドロキシプロピル、プロポキシプロピル、ポリエチレンオキシプロピル、これらの組み合わせなどの非置換の一価Ｃ１〜Ｃ１６アルキル基、Ｃ６〜Ｃ１４アリール基が挙げられる。
【０１８５】
１つの実施例では、ｂはゼロであり、１つのＲ１は一価の反応基であり、少なくとも３つのＲ１は、１〜１６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択され、他の実施例においては、１〜６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択される。本実施形態のシリコーン成分の非限定例としては、２−メチル−，２−ヒドロキシ−３−［３−［１，３，３，３−テトラメチル−１−［（トリメチルシリル）オキシ］ジシロキザニル］プロポキシ］プロピルエステル（「ＳｉＧＭＡ」）、２−ヒドロキシ−３−メタクリルオキシプロピルオキシプロピル−トリス（トリメチルシロキシ）シラン、３−メタクリルオキシプロピルトリス（トリメチルシロキシ）シラン（「ＴＲＩＳ」）、３−メタクリルオキシプロピルビス（トリメチルシロキシ）メチルシラン、及び３−メタクリルオキシプロピルペンタメチルジシロキサンが挙げられる。
【０１８６】
別の実施例では、ｂは、２〜２０、３〜１５であり、又はいくつかの実施例では３〜１０であり、少なくとも１個の末端Ｒ１が一価の反応性基を含み、残りのＲ１は、１〜１６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択され、又は別の実施形態では１〜６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択される。更に別の一実施形態では、ｂが３〜１５であり、１つの末端Ｒ１が一価の反応性基を含み、もう一方の末端Ｒ１が１〜６の炭素原子を有する一価のアルキル基を含み、残余のＲ１が１〜３個の炭素原子を有する一価のアルキル基を含む。本実施形態のシリコーン成分の非限定例としては、（モノ−（２−ヒドロキシ−３−メタクリルオキシプロピル）−プロピルエーテル末端のポリジメチルシロキサン（４００〜１０００ＭＷ））（「ＯＨ−ｍＰＤＭＳ」）、モノメタクリルオキシプロピル末端のモノ−ｎ−ブチル末端のポリジメチルシロキサン（８００〜１０００ＭＷ）、（「ｍＰＤＭＳ」）が挙げられる。
【０１８７】
別の実施例では、ｂは５〜４００又は１０〜３００であり、両方の末端Ｒ１は一価の反応基を含み、残りのＲ１は独立して、炭素原子間にエーテル結合を有し、更にハロゲンを含み得る、１〜１８個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択される。
【０１８８】
シリコーンヒドロゲルレンズが望ましい１つの実施例では、本発明のレンズは、ポリマーがそれから作製される反応性モノマー成分の総重量に基づいて、少なくとも約２０、好ましくは約２０〜７０重量％のシリコーン含有成分を含む反応性混合物から作製される。他の実施形態では、１〜４個のＲ１は、下式のビニルカーボネート又はビニルカルバメートを含む。
【０１８９】
【化２】
2018067542.tif 000005
式中、Ｙは、Ｏ−、Ｓ−、又はＮＨ−を示し、
Ｒは、水素又はメチルを示し、ｄは、１、２、３又は４であり、ｑは、０又は１である。
【０１９０】
シリコーン含有ビニルカーボネート又はビニルカルバメートモノマーとしては、特に、１，３−ビス［４−（ビニルオキシカルボニルオキシ）ブタ−１−イル］テトラメチル−ジシロキサン；３−（ビニルオキシカルボニルチオ）プロピル−［トリス（トリメチルシロキシ）シラン］；３−［トリス（トリメチルシロキシ）シリル］プロピルアリルカルバメート；３−［トリス（トリメチルシロキシ）シリル］プロピルビニルカルバメート；トリメチルシリルエチルビニルカーボネート；トリメチルシリルメチルビニルカーボネート、及び以下が挙げられる。
【０１９１】
【化３】
2018067542.tif 000006
【０１９２】
約２００未満の弾性率を有する生物医学的装置が所望される場合、１個のＲ１のみが一価反応性基を含むものとし、残りのＲ１基のうちの２個以下は、一価シロキサン基を含む。
【０１９３】
別の種類のシリコーン含有成分としては、次式のポリウレタンマクロマーが挙げられる。
式ＩＶ〜ＶＩ
（＊Ｄ＊Ａ＊Ｄ＊Ｇ）ａ  ＊Ｄ＊Ｄ＊Ｅ１、
Ｅ（＊Ｄ＊Ｇ＊Ｄ＊Ａ）ａ＊Ｄ＊Ｇ＊Ｄ＊Ｅ１又は
Ｅ（＊Ｄ＊Ａ＊Ｄ＊Ｇ）ａ＊Ｄ＊Ａ＊Ｄ＊Ｅ１、
式中、
Ｄは６〜３０個の炭素原子を有するアルキルジラジカル、アルキルシクロアルキルジラジカル、シクロアルキルジラジカル、アリールジラジカル、又はアルキルアリールジラジカルを示し、
Ｇは、１〜４０個の炭素原子を有するアルキルジラジカル、シクロアルキルジラジカル、アルキルシクロアルキルジラジカル、アリールジラジカル又はアルキルアリールジラジカルを示し、これは、主鎖中にエーテル、チオ又はアミン結合を含有し得、
＊はウレタン又はウレイド結合を示し、ａは少なくとも１であり、
Ａは次式の二価の重合ラジカルを示す。
【０１９４】
【化４】
2018067542.tif 000007
Ｒ１１は、独立して、炭素原子間にエーテル結合が含まれていてもよい、１〜１０個の炭素原子を有するアルキル又はフッ素置換アルキル基を示し、ｙは、少なくとも１であり、ｐは、４００〜１０，０００の部分重量を提供し、Ｅ及びＥ１は各々独立して、下式によって表される重合性不飽和有機基を示す。
【０１９５】
【化５】
2018067542.tif 000008
式中、Ｒ１２は、水素又はメチルであり、Ｒ１３は水素、１〜６炭素原子を有するアルキルラジカル、又は−ＣＯ−Ｙ−Ｒ１５ラジカルであり、Ｙは−Ｏ−、Ｙ−Ｓ−、又は−ＮＨ−である。Ｒ１４は炭素原子１〜１２個の炭素原子を有する二価のラジカルであり、Ｘは−ＣＯ−又は−ＯＣＯ−を示し、Ｚは−Ｏ−又は−ＮＨ−を示し、Ａｒは炭素原子６〜３０個を有する芳香族ラジカルを示し、ｗは０〜６であり、ｘは０又は１であり、ｙは０又は１であり、ｚは０又は１である。
【０１９６】
１つの好ましいシリコーン含有成分は、次式で表されるポリウレタンマクロマーである。
【０１９７】
【化６】
2018067542.tif 000009
式中、Ｒ１６は、イソホロンジイソシアネートのジラジカルなどイソシアネート基除去後のジイソシアネートのジラジカルである。別の好適なシリコーン含有マクロマーは、フルオロエーテル、ヒドロキシ末端ポリジメチルシロキサン、イソホロンジイソシアネート、及びイソシアネートエチルメタクリレートの反応によって形成される、式Ｘ（式中、ｘ＋ｙは１０〜３０の範囲の数である）の化合物である。
【０１９８】
【化７】
2018067542.tif 000010
【０１９９】
本発明で使用するのに好適な他のシリコーン含有成分には、ポリシロキサン、ポリアルキレンエーテル、ジイソシアネート、ポリフッ化炭化水素、ポリフッ化エーテル及びポリサッカライド基を含有するマクロマー；末端ジフルオロ置換炭素原子に結合した水素原子を有する、極性フッ素化グラフト又は側基を有するポリシロキサン；エーテル及びシロキサニル結合を含む親水性シロキサニルメタクリレート；並びに、ポリエーテル及びポリシロキサニル基を含む架橋性モノマーが挙げられる。いくつかの実施例において、ポリマー主鎖は、双極性イオンが組み込まれている。これらの双極性イオンは、材料が溶媒中に存在するときに、ポリマー鎖に沿って両極の電荷を呈し得る。双極性イオンの存在は、重合した材料の湿潤性を改善し得る。いくつかの実施例では、上記のポリシロキサンのいずれかが、本発明の封入層として使用されてもよい。
【０２００】
生体適合性電池は、例えば、ペースメーカー及びマイクロエネルギーハーベスタなどの埋め込み型電子装置、生物学的機能の関し及び／又は検査を行うための電子ピル、活性成分を備える外科用装置、眼科用装置、マイクロサイズのポンプ、除細動器、ステントなどの生体適合性装置内で使用されてもよい。
【０２０１】
具体的な実施例は、生体適合性電池で使用するためのカソード混合物のサンプル実施形態を説明するために記載されている。これらの実施例は、上記の例示のためであり、いかなる方式でも特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、本説明は、当業者には明らかであり得る全ての実施例を含むことを意図する。
【０２０２】
〔実施の態様〕
（１）  電気活性構成要素と、
電池であって、
アノード集電体、
カソード集電体、
アノード、及び
カソードであって、電着カソード化学物質を含む、カソードを含む、電池と、
第１の生体適合性封入層であって、少なくとも前記電気活性構成要素及び前記電池を封入する、第１の生体適合性封入層と、を備える、生物医学的装置。
（２）  前記カソードは、前記カソード化学物質が電着された炭素布を含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（３）  前記カソードが、電解二酸化マンガンを含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（４）  前記カソード集電体が、チタンを含み、前記電解二酸化マンガンが、前記チタンの第１の表面上にめっきされている、実施態様３に記載の生物医学的装置。
（５）  前記電解二酸化マンガンが、前記チタンの第２の表面上にめっきされている、実施態様４に記載の生物医学的装置。
【０２０３】
（６）  前記アノードが、亜鉛を含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（７）  アノード化学物質が、電着亜鉛を含む、実施態様６に記載の生物医学的装置。
（８）  電解質を更に含み、前記電解質が、
ＮＨ４Ｃｌ、ＺｎＣｌ２、及びＨ２Ｏを含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（９）  カソード化学物質を前記カソード上に電着するために使用されるめっき浴が、ＭｎＳＯ４及びＨ２ＳＯ４を含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１０）  前記カソード上に堆積されたカソード化学物質の膜の厚さは、深さがおよそ１０マイクロメートルである、実施態様１に記載の生物医学的装置。
【０２０４】
（１１）  前記カソード上に堆積されたカソード化学物質の膜の厚さは、深さがおよそ１００マイクロメートル未満である、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１２）  前記カソード上に堆積されたカソード化学物質の膜の厚さは、深さがおよそ５００マイクロメートル未満である、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１３）  セパレータを更に含み、前記セパレータが、ミクロフィブリル化された微多孔性のポリエチレン単層を含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１４）  前記生物医学的装置が、眼科用装置である、実施態様３に記載の生物医学的装置。
（１５）  前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、実施態様１４に記載の生物医学的装置。
【０２０５】
（１６）  電池であって、
アノード集電体と、
アノードと、
カソード集電体であって、金属ワイヤである、カソード集電体と、
カソードと、を備え、前記カソード化学物質が、前記カソード集電体上に電着されている、電池。
（１７）  電池であって、
アノード集電体であって、第１の端部で閉じられた第１の金属管である、アノード集電体と、
アノードであって、アノード化学物質が、前記第１の金属管内に収容されている、アノードと、
カソード集電体であって、ワイヤである、カソード集電体と、
前記第１の金属管に封止可能に接合する第１の封止面、及び前記カソード集電体に封止可能に接合する第２の封止面を有する、セラミックエンドキャップと、
カソードであって、カソード化学物質が、前記カソード集電体上に電着されている、カソードと、
前記第１の封止面と第１の金属管との間の間隙に位置付けられた封止材と、を備える、電池。
（１８）  電池の製造方法であって、
カソード集電体を得ることと、
前記カソード集電体の前記表面を粗面化することと、
前記カソード集電体を、マンガン塩を含む化学浴中に配置することと、
めっき電極を前記化学浴中に配置することと、
前記カソード集電体及び前記めっき電極にわたって電位を確立することであって、前記電位が、前記カソード集電体上で二酸化マンガンの電気化学的堆積を引き起こす、確立することと、を含む、方法。
（１９）  二酸化マンガンの前記電着の厚さが、およそ１００マイクロメートル未満である、実施態様１８に記載の方法。
（２０）  前記カソード集電体は、第１の方向の幅が１ミリメートル未満であり、前記方向が、二酸化マンガンの前記電着の前記厚さに対して直角である、実施態様１９に記載の方法。
【０２０６】
（２１）  前記カソード集電体を、少なくともアノード、アノード集電体、セパレータ及び電解質と共に電着カソード化学物質を含めて組み立てることと、前記組立体を、周囲が封止される生体適合性材料中に封入することとを更に含む、実施態様１８に記載の方法。
（２２）  前記封入された組立体を生物医学的装置と共に配置することを更に含む、実施態様２１に記載の方法。
（２３）  前記生物医学的装置が、眼科用装置である、実施態様２２に記載の方法。
（２４）  前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、実施態様２３に記載の方法。
【図１Ａ】
2018067542.tif 000011
【図１Ｂ】
2018067542.tif 000012
【図２Ａ】
2018067542.tif 000013
【図２Ｂ】
2018067542.tif 000014
【図３】
2018067542.tif 000015
【図４】
2018067542.tif 000016
【図５】
2018067542.tif 000017
【図６Ａ】
2018067542.tif 000018
【図６Ｂ】
2018067542.tif 000019
【図６Ｃ】
2018067542.tif 000020
【図６Ｄ】
2018067542.tif 000021
【図６Ｅ】
2018067542.tif 000022
【図６Ｆ】
2018067542.tif 000023
【図７】
2018067542.tif 000024
【図８】
2018067542.tif 000025
【図９】
2018067542.tif 000026
【図１０Ａ】
2018067542.tif 000027
【図１０Ｂ】
2018067542.tif 000028
【図１１】
2018067542.tif 000029
【図１２】
2018067542.tif 000030
【外国語明細書】
2018067542000001.pdf