(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する第１基材と、
該第１基材の一方主面上に形成される正電極薄膜部材と、
可撓性を有する第２基材と、
該第２基材の一方主面上に形成される負電極薄膜部材と、を有し、
前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材が向かい合って配置され、かつ、前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材の間に液通路が形成され、
前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材との間にセパレータが設けられ、
前記セパレータは、前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材の少なくともいずれか一方の主面上に形成される絶縁膜層であり、
前記絶縁膜層にはパターンが形成される注水式電池。
【請求項２】
可撓性を有する第１基材と、
該第１基材の一方主面上に形成される正電極薄膜部材と、
可撓性を有する第２基材と、
該第２基材の一方主面上に形成される負電極薄膜部材と、を有し、
前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材が向かい合って配置され、かつ、前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材の間に液通路が形成され、
前記第１基材の端部と前記第２基材の端部が互いに接合されて電解液収容部が形成される注水式電池。
【請求項３】
可撓性を有する第１基材と、
該第１基材の一方主面上に形成される正電極薄膜部材と、
可撓性を有する第２基材と、
該第２基材の一方主面上に形成される負電極薄膜部材と、を有し、
前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材が向かい合って配置され、かつ、前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材の間に液通路が形成され、
前記第１基材と前記第２基材は、折り曲げ部を介して連続的に構成されている注水式電池。
【請求項４】
可撓性を有する第１基材と、
該第１基材の一方主面上に形成される正電極薄膜部材と、
可撓性を有する第２基材と、
該第２基材の一方主面上に形成される負電極薄膜部材と、を有し、
前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材が向かい合って配置され、かつ、前記正電極薄膜部材と前記負電極薄膜部材の間に液通路が形成される注水式電池であって、
前記注水式電池がロール状に巻回された注水式筒形電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、注水することによって発電を開始する注水式電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、リストバンド・腕時計・眼鏡等のウェアラブル端末の普及が進んでいるが、これらの端末は薄型化・小型化・軽量化・フレキシブル化の傾向が著しいことから、端末に電源を供給する電池にも同様の特性を備えることが期待されている。また、ウェアラブル端末は人体に接触して用いられるため、人体に無害な材料の電池が使用されることも重要である。
【０００３】
ウェアラブル端末に搭載される電池は種々開発されており、例えば、液体電解質二次電池、全固体二次電池、水電池等がある。特許文献１には、集電体としての正極電極板および負極電極板に略長方形状の金属合金の薄板が用いられ、電解質として水を利用する水電池が開示されている。また、特許文献２には、負極にマグネシウム材料による金属板が用いられ、電解質として水を利用する水電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２２２３６号公報
【特許文献２】実用新案登録第３１７５２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液体電解質二次電池として最も一般的であるリチウムイオン電池はエネルギー密度が高いため高い出力が得られるのがメリットであるが、電解質として引火性の有機溶媒が使用されるため、電解質が電池の外に漏れる可能性を考慮すると安全面で課題がある。全固体二次電池は電解質が固体であるため電解質が漏れるリスクは少ないがフレキシブル性が十分得られないおそれがある。
【０００６】
特許文献１、２に示された水電池は、電池の使用前に電解質として水を注入するものであるから電池寿命を長期化でき、また電解質が水であるためリチウムイオン電池等と比較して安全性が高いだけでなく電解質の製造に必要なコストを抑えられる。一方、これらの水電池の電極には金属材料で作られた板が用いられているためフレキシブル性が十分ではない。さらに発電容量を大きくするために電極面積を広くすると今度は電池全体の大型化や重量化が懸念される。このように水電池をウェアラブル端末に適用するにあたっては改善の余地がある。
そこで、本発明は人体への安全性を確保しつつ大容量化が可能なフレキシブル性を有する注水式電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成し得た本発明の注水式電池は、可撓性を有する第１基材と、第１基材の一方主面上に形成される正電極薄膜部材と、可撓性を有する第２基材と、第２基材の一方主面上に形成される負電極薄膜部材と、を有し、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材が向かい合って配置され、かつ、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材の間に液通路が形成されることを特徴とする点に要旨を有するものである。本発明の注水式電池は第１基材と第２基材が可撓性を有し、正電極と負電極に薄膜部材を用いていることから、金属板を用いる場合と比較して電極の厚みが抑えられ、電池のフレキシブル性を高めることができる。また、本発明の注水式電池は電解質として水を用いているため、リチウムイオン電池と比較して安全性が高く、電解質の製造に必要なコストを抑えることができる。したがって、本発明の注水式電池は人体表面に接触して使用されるウェアラブル端末に搭載するのに適している。
【０００８】
本発明の注水式電池は、液通路に直接または間接に接続されている注水口を有することが好ましい。これにより注水口から液通路に電解質としての水を注入できるため、注水式電池として作動させることが可能となる。
【０００９】
本発明の注水式電池は、正電極薄膜部材の主面上であって第１基材とは反対側に正電極活物質層が設けられることが好ましい。負電極と対向する正電極薄膜部材の主面上に正電極活物質層が設けられることにより電極反応が効率的に活性化される。また、正電極薄膜部材とは別に正電極活物質が設けられれば、正電極薄膜部材に適した材料と正電極活物質層に適した材料をそれぞれ選択することができる。
【００１０】
本発明の注水式電池は、正電極薄膜部材が正電極活物質を含む、或いは正電極活物質を捕集可能な材料から構成されていることが好ましい。これにより正電極での反応に直接寄与する正電極活物質を正電極薄膜部材に供給することができるため、正電極薄膜部材とは別に正電極活物質層を設ける必要がなくなる。
【００１１】
本発明の注水式電池は、負電極薄膜部材の主面上であって第２基材とは反対側に負電極活物質層が設けられることが好ましい。正電極と対向する負電極薄膜部材の主面上に負電極活物質層が設けられることにより電極反応が効率的に活性化される。また、負電極薄膜部材とは別に負電極活物質層が設けられれば、負電極薄膜部材に適した材料と負電極活物質層に適した材料をそれぞれ選択することができる。
【００１２】
本発明の注水式電池は、負電極薄膜部材が負電極活物質を含む材料から構成されていることが好ましい。これにより負電極での反応に直接寄与する負電極活物質を負電極薄膜部材に供給することができるため、負電極薄膜部材とは別に負電極活物質層を設ける必要がなくなる。
【００１３】
本発明の注水式電池には、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材との間にセパレータが好適に設けられる。セパレータが設けられることによって、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材の短絡が抑止される。
【００１４】
セパレータは、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材の少なくともいずれか一方の主面上に形成される絶縁膜層であることが好ましい。セパレータを絶縁膜層によって形成することにより、セパレータの厚みが増大するのを抑制できる。また絶縁膜層にはパターンが形成されることが好ましい。これにより、絶縁膜層が存在しない部分に電解液が通る液通路が形成される。
【００１５】
本発明の注水式電池には、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材と電解液を収容する外装体が好適に設けられる。これにより電極反応に必要な電解液を電池内に保持することができる。
【００１６】
本発明の注水式電池は、第１基材の端部と第２基材の端部が互いに接合されて電解液収容部が形成されることが好ましい。これにより電解液を収容するための部材を新たに設ける必要がないため、外装体が設けられる場合と比較して、電池の厚みや大きさが増大するのを抑制できる。
【００１７】
本発明の注水式電池において、第１基材と第２基材は折り曲げ部を介して連続的に構成されているものであることが好ましい。これにより、第１基材と第２基材が異なる基材によって構成されている場合と比べて電池を構成する部材数を減らすことができる。
【００１８】
本発明には、上記注水式電池がロール状に巻回された注水式筒形電池も含まれる。本発明の注水式電池は高いフレキシブル性を有していることから、容易に巻回することができるため、一般的な筒形状の電池に加工するのにも適している。
【００１９】
また、上記目的を達成し得た本発明の注水式電池の製造方法は、可撓性を有する第１基材の一方主面上に正電極薄膜部材を形成する工程と、第１基材と正電極薄膜部材の少なくともいずれか一方に正電極活物質層を形成する工程と、可撓性を有する第２基材の一方主面上に負電極薄膜部材を形成する工程と、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材を向かい合わせて配置することにより正電極薄膜部材と負電極薄膜部材との間に液通路を形成する工程と、を含むことを特徴とする点に要旨を有するものである。本発明の注水式電池の製造方法では、正電極および負電極として薄膜部材を形成することから、金属板を用いる場合と比較して電極の厚みが抑えられ、フレキシブル性の高い電池が得られる。
【００２０】
本発明の注水式電池の製造方法において、負電極薄膜部材が負電極活物質を含む材料から構成されていることが好ましい。このような負電極薄膜部材は集電体として機能するだけではなく負電極活物質層も兼ねることができるため、負電極薄膜部材とは別に負電極活物質層を設ける必要がない。
【００２１】
正電極薄膜部材を形成する工程と、負電極薄膜部材を形成する工程において、スパッタリング法または塗布法を用いることが好ましい。スパッタリング法または塗布法を用いれば、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材の膜厚を小さくすることができるため、電池のフレキシブル性をより高められる。
【００２２】
第１基材と第２基材のいずれか一方の上にマスク層を形成してエッチング液に接触させて、一部領域を除去することによって第１基材と正電極薄膜部材と正電極活物質層とセパレータ、または第２基材と負電極薄膜部材とセパレータに開口を形成する工程を含むことが好ましい。このように形成された開口は電解液が通る液通路となる。そして、パターンが形成された側面から電解液を供給すると、液通路を通じて電解液が電極薄膜部材全体に行き渡りやすくなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の注水式電池は、第１基材と第２基材が可撓性を有するとともに電極の厚みが抑えられているため、フレキシブル性が高いものである。さらに電解質として水を用いているため、リチウムイオン電池と比較して安全性が高く、電解質の製造に必要なコストを抑えることができる。このため人体表面に接触して使用されるウェアラブル端末に搭載するのに適した電池が得られる。
また、本発明の注水式電池の製造方法によれば、可撓性を有する基材上に正電極と負電極として薄膜部材を形成することから、金属板を用いる場合と比較して電極の厚みが抑えられ、フレキシブル性の高い電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池の断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池の断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池の断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池の断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１に係る絶縁膜層の平面図であり、図５（ａ）はドット状、図５（ｂ）はストライプ状、図５（ｃ）および図５（ｄ）は葉脈状、図５（ｅ）は放射状の絶縁膜層の平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池に外装体が設けられる構成例を示す斜視図である。
【図７】図７は、図６の注水式電池をＡ方向から見た図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池に電解液収容部が形成される構成例を示す斜視図である。
【図９】図９は、図８の注水式電池のＸ−Ｚ面方向における断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係る注水式電池の断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２に係る注水式電池の他の構成例を示す展開図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態２に係る注水式電池の他の構成例を示す断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態３に係る注水式電池の展開図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施の形態３に係る注水式電池の断面図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態４に係る注水式電池の平面図である。
【図１６】図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線における断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態５に係る注水式筒形電池の製造方法を示す斜視図である。
【図１８】図１８は、本発明の注水式電池の製造方法を示す断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の注水式電池の製造方法を示す断面図である。
【図２０】図２０は、本発明の注水式電池の製造方法を示す断面図である。
【図２１】図２１は、本発明の注水式電池の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る注水式電池に関して、図面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明はもとより図示例に限定される訳ではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００２６】
１．注水式電池
本発明の注水式電池は、可撓性を有する第１基材と、第１基材の一方主面上に形成される正電極薄膜部材と、可撓性を有する第２基材と、第２基材の一方主面上に形成される負電極薄膜部材と、を有し、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材が向かい合って配置され、かつ、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材の間に液通路が形成されるものである。本発明の注水式電池は第１基材と第２基材が可撓性を有し、正電極と負電極に薄膜部材を用いていることから、金属板を用いる場合と比較して電極の厚みが抑えられ、電池のフレキシブル性を高めることができる。また、本発明の注水式電池は電解質として水を用いているため、リチウムイオン電池と比較して安全性が高く、電解質の製造に必要なコストを抑えることができる。したがって、本発明の注水式電池は人体表面に接触して使用されるウェアラブル端末に搭載するのに適している。
【００２７】
本発明において、注水式電池は厚み方向と面方向を有する。注水式電池の厚み方向は、第１基材、正電極薄膜部材、第２基材、負電極薄膜部材が積層される方向であり、本発明の図面のＺ方向に相当する。注水式電池の面方向は、厚み方向Ｚと直交する方向Ｘ−Ｙであり、左右方向Ｘと上下方向Ｙを有する。
【００２８】
本発明で取り扱う注水式電池は、電池を使用する前に電解液として水を注ぐものである。このため電解液として水が使用される、いわゆる水電池、空気電池、酸素電池は本発明の範囲に含まれる。電解液は水を含むものであればその種類は特に限定されず、例えば、水道水、海水、泥水、砂糖水、食塩水、雨水、尿等が挙げられる。
【００２９】
（実施の形態１）
図１〜図９を用いて、本発明の実施の形態１に係る注水式電池について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る注水式電池１０の断面図である。注水式電池１０（１０Ａ）は、第１基材２０と、正電極薄膜部材３０と、第２基材２１と、負電極薄膜部材４０と、を有する。
【００３０】
第１基材２０は正電極薄膜部材３０を支持するために設けられ、一方主面２０ａと他方主面２０ｂを有する。第１基材２０は可撓性を有しており、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、伸縮性を有するポリウレタン等の高分子フィルムから形成されることが好ましい。これによりフレキシブル性の高い注水式電池が得られる。
【００３１】
第１基材２０は透液性を有していることが好ましい。これにより正電極薄膜部材３０が形成されない第１基材２０の他方主面２０ｂ側にも電解液が到達し、正電極薄膜部材３０の第１基材２０側の面にも電解液が接触しやすくなり、単位時間当たりに受け渡しがされる電子の数を増やすことができるため、電池容量を増大させることができる。
【００３２】
第１基材２０の膜厚（厚さ方向Ｚにおける厚み）が大きすぎると電池全体の厚みが増すことから、第１基材の厚みは１０００μｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。他方、第１基材２０の膜厚が小さすぎると電池の製造時に基材が折れたり壊れたりするなどして取り扱い難くなるため、第１基材の厚みは１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましく、３０μｍ以上であることがさらに好ましい。
【００３３】
正電極薄膜部材３０は、第１基材２０の一方主面２０ａ上に形成される薄膜であり、集電体として機能する。正電極薄膜部材３０は後述する負電極活物質に対してイオン化傾向が小さい導電性材料を含んでいればよく、例えば、銅、銀、ニッケル等の金属材料、空気中の酸素を捕集可能な活性炭、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン等の炭素材料、二酸化マンガン・酸化鉄・酸化銀等の酸化物、塩化銅・塩化鉛・塩化銀等の塩化物、ヨウ化銅、過硫酸カリウムやこれらの組み合わせを用いることができる。
【００３４】
第１基材２０と正電極薄膜部材３０を含む正電極において、正電極活物質は電子の授受に直接寄与する。正電極活物質は、負電極から流れてきた電子と電解液中の水素イオンが反応して水素が生成され起電力が低下する分極を防ぐために、発生した水素を酸化する。したがって正電極活物質を得るために空気中の酸素を捕集可能な活性炭、ＣＮＴ、グラフェン等の炭素材料や、二酸化マンガン・酸化鉄・酸化銀等の酸化物、塩化銅・塩化鉛・塩化銀等の塩化物、ヨウ化銅、過硫酸カリウムを含む正電極活物質層が設けられることが好ましい。
【００３５】
正電極活物質層が設けられる場所は特に限定されないが、正電極薄膜部材３０の主面上であって第１基材２０とは反対側に正電極活物質層が設けられることが好ましい。図２は正電極活物質層が設けられる注水式電池の構成例を示す断面図である。図２では第１基材２０の一方主面２０ａと正電極薄膜部材３０の一方主面３０ａの両方に正電極活物質層３５が設けられている。このように負電極と対向する正電極薄膜部材３０の主面（正電極薄膜部材３０の一方主面３０ａ）上に正電極活物質層３５が設けられることにより、電極反応が効率的に活性化される。また、正電極薄膜部材３０とは別に正電極活物質層３５が設けられれば、正電極薄膜部材３０に適した材料と正電極活物質層３５に適した材料をそれぞれ選択することができる。なお、正電極での反応を促進するために、正電極活物質層３５を第１基材２０の他方主面２０ｂ上にも設けることができる。第１基材２０または正電極薄膜部材３０への正電極活物質層３５の形成には蒸着や接着剤による接着を用いることができる。
【００３６】
本発明の注水式電池は、正電極薄膜部材３０が正電極活物質を含む、或いは正電極活物質を捕集可能な材料から構成されていることが好ましい。すなわち、正電極薄膜部材３０が空気中の酸素を捕集可能な活性炭、ＣＮＴ、グラフェン等の炭素材料や、二酸化マンガン・酸化鉄・酸化銀等の酸化物、塩化銅・塩化鉛・塩化銀等の塩化物、ヨウ化銅、過硫酸カリウムを含んでいることが好ましい。これにより正電極での反応に直接寄与する正電極活物質を正電極薄膜部材３０に供給することができるため、正電極薄膜部材３０とは別に正電極活物質層３５を設ける必要がなくなる。
【００３７】
正電極薄膜部材３０の膜厚が大きすぎると電池全体の厚みが増すことから、正電極薄膜部材３０の厚みは１００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以下であることがさらに好ましい。他方、正電極薄膜部材３０の膜厚が小さすぎると、正電極薄膜部材３０における電流密度が制限されるため、正電極薄膜部材の厚みは０．１μｍ以上であることが好ましく、０．５μｍ以上であることがより好ましく、１μｍ以上であることがさらに好ましい。
【００３８】
第２基材２１は負電極薄膜部材４０を支持するために設けられ、一方主面２１ａと他方主面２１ｂを有する。第１基材２０と同様に、第２基材２１は可撓性を有しており、例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＩ、伸縮性を有するポリウレタン等の高分子フィルムから形成されることが好ましい。これによりフレキシブル性の高い注水式電池が得られる。
【００３９】
第２基材２１は透液性を有していることが好ましい。これにより負電極薄膜部材４０が形成されない第２基材２１の他方主面２１ｂ側にも電解液が到達し、負電極薄膜部材４０の第２基材２１側の面にも電解液が接触しやすくなり、単位時間当たりに受け渡しがされる電子の数を増やすことができるため、電池容量を増大させることができる。
【００４０】
第２基材２１の膜厚（厚さ方向Ｚにおける厚み）が大きすぎると電池全体の厚みが増すことから、第２基材２１の厚みは１０００μｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることがより好ましく、１００μｍ以下であることがさらに好ましい。他方、第２基材２１の膜厚が小さすぎると電池の製造時に基材が折れたり壊れたりするなどして取り扱い難くなるため、第２基材２１の厚みは１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましく、３０μｍ以上であることがさらに好ましい。
【００４１】
負電極薄膜部材４０は、第２基材２１の一方主面２１ａ上に形成される薄膜であり、集電体として機能する。負電極薄膜部材４０は導電性を有し、薄膜化が可能な材料であれば特に限定されず、例えば銅、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛やこれらの組み合わせ等を用いることができる。
【００４２】
本発明において、負電極で電子の授受に直接寄与する負電極活物質は金属である。負電極活物質としてはイオン化傾向の大きい金属材料、例えば、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛等やこれらの組み合わせを用いることができる。
【００４３】
負電極薄膜部材４０の主面上であって第２基材２１とは反対側に負電極活物質層が設けられていることが好ましい。このように正電極と対向する負電極薄膜部材４０の主面上に負電極活物質層が設けられることにより電極反応が効率的に活性化される。また、負電極薄膜部材４０とは別に負電極活物質層が設けられることにより、負電極薄膜部材４０に適した材料と負電極活物質層に適した材料をそれぞれ選定することができる。第２基材２１または負電極薄膜部材４０への負電極活物質層の形成には、負電極活物質の蒸着や接着剤による接着を用いることができる。
【００４４】
図２に示すように負電極薄膜部材４０は負電極活物質を含む材料から構成されていることが好ましい。これにより負電極での反応に直接寄与する負電極活物質を負電極薄膜部材４０に供給することができ、負電極薄膜部材４０が負電極活物質を兼ねることができるため、負電極薄膜部材４０とは別に負電極活物質層を設ける必要がない。例えば、負電極薄膜部材４０としてマグネシウム、アルミニウム、亜鉛等を選択すれば、負電極活物質層を別に設ける必要がない。
【００４５】
本発明の注水式電池１０Ａは、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０（以下、「電極薄膜部材」と記載することもある）が向かい合って配置され、かつ、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の間に液通路５０が形成される。図１および図２では、正電極薄膜部材３０の一方主面３０ａと負電極薄膜部材４０の一方主面４０ａが向かい合って配置されている。液通路５０は電解液が流れるための通路であるが、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の短絡抑止機能も有している。
【００４６】
例えば、図２に示す注水式電池１０Ａにおいて、正電極薄膜部材３０に銅、正電極活物質層３５として活性炭、負電極活物質を兼ねる負電極薄膜部材３０としてマグネシウムを採用し、液通路５０に電解液として水を通液させた場合、各電極では（１）〜（２）式に示す反応が、電池全体としては（３）式に示す反応が起こり、水酸化マグネシウムが生成される。
正電極  ：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋（４ｅ−）→（４ＯＨ−）  ・・・（１）
負電極  ：２Ｍｇ→（２Ｍｇ２＋）＋（４ｅ−）        ・・・（２）
電池全体：２Ｍｇ＋Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ→２Ｍｇ（ＯＨ）２↓・・・（３）
注水式電池１０Ａは液通路５０に水を通液しない限り電極反応が起こらないため、災害時の備蓄用にも好適に使用できる。
【００４７】
図３および図４は本発明の実施の形態１に係る注水式電池の正電極薄膜部材と負電極薄膜部材の絶縁方法を示す断面図である。正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の短絡を抑止するために、図３に示すように正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０との間にセパレータ６０が好適に設けられる。図３に示すセパレータ６０は透液性と絶縁性を有する材料から構成されている。透液性と絶縁性を有する材料としては、例えば繊維不織布、多孔質の高分子フィルム等を用いることができ、この場合には繊維間隙や連続孔が液通路５０を構成する。
【００４８】
図４に示すように、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の間に設けられるセパレータ６０には厚み方向に貫通する貫通口６０ａが形成されていることが好ましい。貫通孔６０ａが液通路５０となって、電解液が液通路５０を通じて正電極活物質層３５と負電極薄膜部材４０の表面に行き渡りやすくなるからである。
【００４９】
セパレータ６０は、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の少なくともいずれか一方の主面上に形成される絶縁膜層であることが好ましい。セパレータ６０を絶縁膜層によって形成することにより、セパレータ６０の厚みが増大するのを抑制できる。絶縁膜層としては例えばシリコン酸化膜や、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＥＴ等の合成樹脂等の公知の絶縁材料を用いることができる。絶縁膜層の形成には、例えばスピンコート法、真空蒸着法、スパッタリング法を用いることができ、また、第１基材２０上、或いは第２基材２１上の積層物をロールｔｏロールにより形成する場合は、塗布法であるスクリーン印刷法、グラビア印刷法、ダイコート法、スプレー法を用いることができる。
【００５０】
図５は本発明の実施の形態１に係る絶縁膜層の平面図である。絶縁膜層６１にはパターンが形成されることが好ましい。絶縁膜層６１によって正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０は支持される。これに対して絶縁膜層６１が存在しない部分は電解液が通る液通路５０となる。絶縁膜層６１の形成パターンを変えれば液通路５０の形状も変えられるため、これにより電解液の流れをコントロールすることが可能である。絶縁膜層６１のパターン形成にはフォトリソグラフィ法または印刷法を用いることができる。
【００５１】
図５（ａ）に示すように、絶縁膜層６１をドット状（浮島状）に形成することができる。この場合、左右方向Ｘおよび上下方向Ｙの両方に延びた液通路５０が設けられるため、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の表面全体に電解液が行き渡りやすくなる。絶縁膜層６１がドット状の場合、電解液を図５（ａ）の上側、下側、右側、左側のいずれの方向から供給しても、電解液と電極薄膜部材が接触しやすくなる。
【００５２】
図５（ｂ）に示すように、絶縁膜層６１をストライプ状に形成することができる。ストライプ状の絶縁膜層６１はドット状の場合よりも左右方向Ｘの液通路５０の面積が少なく、電極薄膜部材に対して絶縁膜層６１の占める面積が大きい。このため、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０が互いに接触しにくくなり、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の短絡を抑制できる。この場合、電解液は図５（ｂ）の上側または下側から注水されることが好ましい。
【００５３】
図５（ｃ）に示すように、絶縁膜層６１は液通路５０が葉脈状となるパターンに形成されてもよい。これにより正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の短絡を抑制しつつ、電解液を電極薄膜部材全体に行き渡らせることができる。この場合、葉脈形状の出発点である液通路５０の下側の中心付近から電解液が注水されることが好ましい。
【００５４】
絶縁膜層は、図５（ｄ）に示すような別の葉脈状のパターンに形成されてもよい。この場合、電解液は葉脈形状の出発点である液通路５０の上下方向Ｙおよび左右方向Ｘの中心付近から注水されることが好ましい。図５（ｃ）に示す葉脈状のパターンと比較すると、液通路５０の最長距離を短くできるため、電解液と電極薄膜部材との接触が速やかに行われやすくなる。
【００５５】
図５（ｅ）に示すように、絶縁膜層６１は放射状に形成されてもよい。この場合、電解液は放射状の中心点である液通路５０の上下方向および左右方向の中心付近から注水されることが好ましい。図５（ｄ）に示した葉脈状のパターンと比較すると、液通路５０の最長距離を短くできるため、電解液と電極薄膜部材との接触がより速やかに行われやすくなる。
【００５６】
本発明の注水式電池は、液通路に接続されている注水口を有することが好ましい。これにより注水口から液通路に電解液としての水を注入することができる。注水口の位置は特に限定されないが、電池外に電解液が漏れるのを抑制するために、注水口は電池の使用時に下方に位置する場所以外に設けられることが好ましい。注水口には、電池内に注入された水が電池外に逆流することを防止する逆止弁が好適に設けられる。
【００５７】
注水口は液通路に直接に接続されてもよく、間接に接続されてもよい。注水口が液通路に直接に接続されている場合、液通路の一部が注水口を兼ねる。注水口が液通路に間接に接続されている場合、注水口と液通路は離間しているため、注水口から電池内に注がれた電解液は液通路以外を通って液通路に到達する。注水口が液通路に間接に接続されている例としては、後述する正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０と電解液を収容する外装体７０に注水口８１が設けられる場合や、第１基材２０と第２基材２１の端部が一部接合されない部分に注水口８１が形成される場合が挙げられる。
【００５８】
図６は注水式電池に外装体が設けられる構成例を示す斜視図であり、図７は図６の注水式電池をＡ方向から見た図である。図６に示すように、本発明の注水式電池は、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０と電解液（図示していない）を収容する外装体７０が設けられることが好ましい。これにより電極反応に必要な電解液を電池内に保持することができる。
【００５９】
図７の注水式電池１０（１０Ａ）では直方体状の外装体７０内に第１基材２０、第２基材２１、正電極活物質層３５が設けられた正電極薄膜部材３０、負電極活物質層を兼ねる負電極薄膜部材４０が収容されている。外装体７０の形状は特に限定されず、電解液の注水口が設けられた箱状または袋状であればよい。図６では注水式電池１０Ａの上側面全体が注水口８１となっているが、電解液の漏れを抑制するために注水口８１には蓋（図示しない）が設けられることが好ましい。
【００６０】
電解液を確実に保持するために外装体７０は、液不透過性であることが好ましい。このため外装体７０は、例えば、ＰＥＮ、ＰＥＴ、ＰＩ等を用いることができる。これによりフレキシブル性の高い注水式電池が得られる。
【００６１】
図８は、注水式電池に電解液収容部が形成される構成例を示す斜視図であり、図９は、図８の注水式電池のＸ−Ｚ面方向における断面図である。図８および図９に示すように、第１基材２０の端部と第２基材２１の端部が互いに接合されて電解液収容部８０が形成されることが好ましい。これにより電解液を収容するための部材を新たに設ける必要がないため、外装体７０が設けられる場合と比較して電池の厚みや大きさが増大するのを抑制できる。
【００６２】
図８および図９に示す注水式電池１０Ａでは略同じ大きさの長方形の第１基材２０と第２基材２１が向かい合うように配置されており、対向する四辺において第１基材２０と第２基材２１の端部が互いに接合され、袋状に電解液収容部８０が形成されている。第１基材２０と第２基材２１の上辺では、第１基材２０と第２基材２１の端部が一部接合されない部分に注水口８１が形成されている。第１基材２０と第２基材２１は、例えば、接着剤、熱融着、超音波融着等の接合手段により互いに接合されればよい。
【００６３】
図示していないが、電極間に流れる電流を取り出すために、正電極薄膜部材と負電極薄膜部材にはそれぞれ取り出し配線が接続される。取り出し配線にはビニール線、エナメル線、スズめっき線等の公知の導線や、電極薄膜部材と同様に第１基材や第２基材上に形成されるプリント配線を用いることができる。例えば、取り出し配線として導線を用いる場合には、半田付けやレーザー溶接等により導線の一端を電極薄膜部材に接続することができる。
【００６４】
次に、図１〜図９に示した注水式電池とは異なる態様の注水式電池について、図１０〜図１７を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同じ構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
（実施の形態２）
図１０は、本発明の実施の形態２に係る注水式電池の断面図である。図１０に示す注水式電池１０（１０Ｂ）の第１基材２０と第２基材２１は、折り曲げ部２２ｃを介して連続的に構成されている。詳細には、基材２２の一方主面２２ａ上に正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０がそれぞれ形成され、基材２２の他方主面２２ｂが外側に位置するように基材２２を折り曲げ部２２ｃで折り曲げることによって正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０は向かい合って配置される。これにより、第１基材２０と第２基材２１が異なる基材によって構成されている場合と比べて電池を構成する部材数を減らすことができる。このように基材２２に折り曲げ部２２ｃを適切に設けることによって、正電極と負電極の相対位置を位置決めしやすくなる。
【００６６】
折り曲げ部２２ｃの位置を案内する折り曲げ線２２ｍ、２２ｎは、例えば基材２２に回転刃等の刃先を押し当てて形成された溝とすることができる。
【００６７】
図１１、図１２は、それぞれ本発明の実施の形態２に係る注水式電池の他の構成例を示す展開図と断面図である。図１１に示すように、基材２２の一方主面２２ａ上に正電極活物質層３５が設けられた正電極薄膜部材３０と、絶縁膜層６１が設けられた負電極薄膜部材４０が複数配置され、隣り合う正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の間に折り曲げ線２２ｍ、２２ｎが設けられている。隣り合う正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０が向かい合って配置されるように、基材２２を折り曲げ線２２ｍで谷折りすることによって折り曲げ部２２ｃが形成され、基材２２を折り曲げ線２２ｎで山折りすることによって折り曲げ部２２ｄが形成される。その結果、図１０に示すような注水式電池が厚み方向Ｚに複数（図１２の場合は３つ）積層された注水式電池１０（１０Ｂ）が得られる。このように電池を厚み方向に複数積層することによって、電池容量を大きくすることができる。
【００６８】
（実施の形態３）
図１３、図１４は、それぞれ本発明の実施の形態３に係る注水式電池の構成例を示す展開図、断面図である。図１３（ａ）に示すように第１基材２０の一方主面２０ａ上に正電極活物質層３５が設けられた正電極薄膜部材３０が複数形成され、隣り合う２つの正電極薄膜部材３０の間に折り曲げ線２０ｍ、２０ｎが設けられている。また、図１３（ｂ）に示すように第２基材２１の一方主面２１ａ上に絶縁膜層６１が設けられた負電極薄膜部材４０が複数形成され、隣り合う２つの負電極薄膜部材４０の間に折り曲げ線２１ｍ、２１ｎが設けられている。第１基材２０を折り曲げ線２０ｍで谷折りすることによって折り曲げ部２０ｃが形成され、折り曲げ線２０ｎで山折りすることによって折り曲げ部２０ｄが形成される。同様に、第２基材２１を折り曲げ線２１ｍで谷折りすることによって折り曲げ部２１ｃが形成され、折り曲げ線２１ｎで山折りすることによって折り曲げ部２１ｄが形成される。第１基材２０の折り曲げ部２０ｃの内側に第２基材２１の折り曲げ部２１ｄが収納され、第２基材２１の折り曲げ部２１ｃの内側に第１基材２０の折り曲げ部２０ｄが収納されるように第１基材２０と第２基材２１が積層される。注水式電池１０（１０Ｃ）では、１つの基材上に少なくとも１種類の電極薄膜部材が形成されればよいため、電極薄膜部材の形成工程を簡素化することができる。
【００６９】
（実施の形態４）
図１５は本発明の実施の形態４に係る注水式電池の構成例を示す平面図であり、図１６は図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線における断面図である。図１５および図１６に示すように、本発明の注水式電池１０（１０Ｄ）には、第１基材２０、正電極薄膜部材３０、正電極活物質層３５およびセパレータ６０に、厚み方向に貫通する開口６０ｂが複数形成されている。このため、第１基材２０の一方主面２０ａ側から複数の開口６０ｂを介して電池内に電解液を注入することができる。第１基材２０の一方主面２０ａ側から注水された電解液は開口６０ｂを通って、セパレータ６０により形成される液通路５０に導かれる。
【００７０】
図１５および図１６では、第１基材２０、正電極薄膜部材３０、正電極活物質層３５およびセパレータ６０に開口６０ｂが形成される構成例を示したが、第２基材２１、負電極薄膜部材４０およびセパレータ６０に開口が形成されてもよい。
【００７１】
図１５および図１６では、開口６０ｂが複数形成される例を示したが、開口は１つでもよい。例えば、第１基材２０、正電極薄膜部材３０、正電極活物質層３５およびセパレータ６０の略中央に、厚み方向Ｚに貫通する開口６０ｂが１つ形成される場合、図５（ｄ）、図５（ｅ）に示すようにセパレータ６０の中心付近に電解液の注水口８１が設けられる絶縁層６１を好適に用いることができる。
【００７２】
なお、本発明の注水式電池１０は病人や被介護者の失禁、嘔吐、出血等を検知するためにベッドシーツに組み込まれるセンサ、水着やウェットスーツ等の水中で使用される衣類に組み込まれる生体情報（心拍、体温、脈拍、呼吸数等）の監視センサ等の電源供給用にも好適である。また、このような監視センサを無線センサネットワークと組み合わせることで、電源不要の漏水検知センサとして、さらに停電時には非常用電源としても使用可能である。
【００７３】
（実施の形態５）
図１７は本発明の実施の形態５に係る注水式筒形電池の製造方法を示す斜視図である。本発明には実施の形態１〜４の注水式電池１０がロール状に巻回された注水式筒形電池も含まれる。実施の形態１〜４に記載の注水式電池１０の一辺から対向する辺に向かって、注水式電池１０を巻回する。詳細には図１７に示すように、注水式電池のＰ辺からＱ辺に向かって注水式電池１０が巻き回しされる。そして、Ｑ辺まで巻回された注水式電池１０を筒形の外装体（図示しない）に収容することによって、注水式筒形電池が製造される。このように本発明の注水式電池１０は高いフレキシブル性を有し容易に巻回することができるため、一般的な筒形の電池に加工するのにも適している。
【００７４】
２．注水式電池の製造方法
本発明の注水式電池の製造方法は、（１）可撓性を有する第１基材の一方主面上に正電極薄膜部材を形成する工程と、（２）第１基材と正電極薄膜部材の少なくともいずれか一方に正電極活物質層を形成する工程と、（３）可撓性を有する第２基材の一方主面上に負電極薄膜部材を形成する工程と、（４）正電極薄膜部材と負電極薄膜部材を向かい合わせて配置することにより正電極薄膜部材と負電極薄膜部材との間に液通路を形成する工程と、を含むものである。
【００７５】
以下、図１８〜図２１を用いて本発明の実施の形態に係る注水式電池の製造方法の好ましい例について説明する。
【００７６】
（１）可撓性を有する第１基材の一方主面上に正電極薄膜部材を形成する工程
まず、図１８に示すように注水式電池１０の製造に必要な可撓性を有する第１基材２０を準備し、第１基材２０の一方主面２０ａ上に正電極薄膜部材３０を形成する。
【００７７】
正電極薄膜部材３０の形成にはスパッタリング法または塗布法を用いることが好ましい。これらの方法を用いれば正電極薄膜部材３０の膜厚を小さくすることができるため、電池のフレキシブル性をより高めることができる。特に、第１基材２０上の積層物をロールｔｏロールにより形成する場合は、塗布法であるスクリーン印刷法、グラビアコーター法、ダイコート法、スプレー法を用いることができる。例えば、スパッタリング法を用いれば正電極薄膜部材３０の膜厚を数百ｎｍ以下、スクリーン印刷法を用いれば正電極薄膜部材３０の膜厚を数十μｍ以下に抑えることができる。
【００７８】
（２）第１基材と正電極薄膜部材の少なくともいずれか一方に正電極活物質層を形成する工程
次に、第１基材２０と正電極薄膜部材３０の少なくともいずれか一方に正電極活物質層３５を形成する。すなわち、正電極活物質層３５は第１基材２０にのみ形成されてもよいし、正電極薄膜部材３０にのみ形成されてもよいし、図１９に示すように第１基材２０と正電極薄膜部材３０の両方に形成されてもよい。第１基材２０または正電極薄膜部材３０に対する正電極活物質層３５の形成には、正電極活物質の蒸着や接着剤による接着を用いることができる。
【００７９】
（３）可撓性を有する第２基材の一方主面上に負電極薄膜部材を形成する工程
図２０に示すように可撓性を有する第２基材２１を準備し、第２基材２１の一方主面２１ａ上に負電極薄膜部材４０を形成する。正電極薄膜部材３０の形成方法と同様に、負電極薄膜部材４０の形成にはスパッタリング法または塗布法を用いることが好ましい。これらの方法を用いれば負電極薄膜部材４０の膜厚を小さくすることができるため、電池のフレキシブル性をより高めることができる。特に第２基材２１上の積層物をロールｔｏロールにより形成する場合は、塗布法であるスクリーン印刷法、グラビアコーター法、ダイコート法、スプレー法を用いることができる。例えば、スパッタリング法を用いれば負電極薄膜部材４０の膜厚を数百ｎｍ以下、スクリーン印刷法を用いれば負電極薄膜部材４０の膜厚を数十μｍ以下に抑えることができる。
【００８０】
正電極薄膜部材３０および負電極薄膜部材４０の形成に、スパッタリング法または塗布法を用いることがより好ましい。スパッタリング法または塗布法を用いれば、正電極薄膜部材３０の膜厚と負電極薄膜部材４０の膜厚をともに小さくすることができるため、電池のフレキシブル性をより高められる。
【００８１】
負電極薄膜部材４０は負電極活物質を含む材料から構成されていることが好ましい。このような負電極薄膜部材４０は集電体として機能するだけではなく負電極活物質層も兼ねることができるため、負電極薄膜部材４０とは別に負電極活物質層を設ける必要がない。
【００８２】
これに対して、第２基材２１と負電極薄膜部材４０の少なくともいずれか一方に負電極活物質層が形成されていてもよい。すなわち、負電極活物質層が第２基材２１のみに形成されてもよいし、負電極薄膜部材４０にのみ形成されてもよいし、第２基材２１と負電極薄膜部材４０の両方に形成されてもよい。負電極活物質層の形成には、負電極活物質の蒸着や接着剤による接着を用いることができる。
【００８３】
（４）正電極薄膜部材と負電極薄膜部材を向かい合わせて配置することにより正電極薄膜部材と負電極薄膜部材との間に液通路を形成する工程
図２１に示すとおり、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０を向かい合わせて配置することにより、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０との間に液通路５０を形成する。図２１では、正電極活物質層３５が形成された正電極薄膜部材３０の一方主面３０ａと負電極薄膜部材４０の一方主面４０ａが対向するように配置されている。
【００８４】
上記工程（４）において、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０を向かい合わせて配置するときに、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の間に短絡抑止用のセパレータ６０を設けることができる。
【００８５】
セパレータ６０は、正電極薄膜部材３０と負電極薄膜部材４０の少なくともいずれか一方の主面上に形成される絶縁膜層６１であることが好ましい。絶縁膜層６１の形成には、印刷法またはフォトリソグラフィ法を好適に用いることができる。印刷法またはフォトリソグラフィ法によれば、複雑な描画パターンであっても形成することができる。正電極薄膜部材３０上への絶縁膜層６１の形成は、上記工程（２）の後に行う。また、負電極薄膜部材４０上への絶縁膜層６１の形成は、上記工程（３）の後に行う。
【００８６】
図示していないが、本発明の注水式電池の製造方法は（５）第１基材２０と第２基材２１のいずれか一方の上にマスク層を形成してエッチング液に接触させて、一部領域を除去することによって第１基材２０と正電極薄膜部材３０と正電極活物質層３５とセパレータ６０、または第２基材２１と負電極薄膜部材４０とセパレータ６０に開口を形成する工程を含むことが好ましい。このように形成された開口は電解液が通る液通路５０となる。そして、開口が形成された側面から電解液を供給すると、液通路５０を通じて、電解液が電極薄膜部材全体に行き渡りやすくなる。
【００８７】
マスク層の形成方法の一例について説明する。第１基材２０や第２基材２１上に公知のドライフィルムレジストや液体レジスト等の感光性樹脂（レジスト）を塗布し、レジストの上から電子ビームや光（紫外線）を照射して所定のパターンを描画する。露光装置を用いてレジストを露光し、レジストに対してパターンの転写、焼き付けを行う。そして、レジストに現像液を接触させることによって第１基材２０や第２基材２１上にマスク層が形成される。
【００８８】
マスク層が形成された第１基材２０にエッチング液を接触させることによって、第１基材２０と正電極薄膜部材３０と正電極活物質層３５とセパレータ６０の一部領域が除去される。他方、マスク層が第２基材２１上に形成される場合には、エッチング液の接触により、第２基材２１と負電極薄膜部材４０とセパレータ６０の一部領域が除去される。
【符号の説明】
【００８９】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ：注水式電池
２０：第１基材
２１：第２基材
３０：正電極薄膜部材
３５：正電極活物質層
４０：負電極薄膜部材
５０：液通路
６０：セパレータ
７０：外装体
８０：電解液収容部
【図１】
0006632815.tif 000002
【図２】
0006632815.tif 000003
【図３】
0006632815.tif 000004
【図４】
0006632815.tif 000005
【図５】
0006632815.tif 000006
【図６】
0006632815.tif 000007
【図７】
0006632815.tif 000008
【図８】
0006632815.tif 000009
【図９】
0006632815.tif 000010
【図１０】
0006632815.tif 000011
【図１１】
0006632815.tif 000012
【図１２】
0006632815.tif 000013
【図１３】
0006632815.tif 000014
【図１４】
0006632815.tif 000015
【図１５】
0006632815.tif 000016
【図１６】
0006632815.tif 000017
【図１７】
0006632815.tif 000018
【図１８】
0006632815.tif 000019
【図１９】
0006632815.tif 000020
【図２０】
0006632815.tif 000021
【図２１】
0006632815.tif 000022