(57)【要約】  可撓性バッテリは、電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含み、カソード集電層、カソード層、アノード層、および任意選択としてアノード集電層を備え、これらの一部または全部が乾燥インクまたは硬化インクで形成されている。第１の基板は、一対の対向側部を含む。また、カソード集電層に対して電気的に結合されるとともに第１の基板の一対の対向側部の一方に沿って配設された第１の電極コンタクトが設けられ、アノード層に対して電気的に結合されるとともに第１の基板の一対の対向側部の他方に沿って配設された第２の電極コンタクトが設けられている。カソード集電層は、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含む。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含む可撓性バッテリであって、
一対の対向側部を含む第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板上の前記一対の対向側部間に設けられ、乾燥インクまたは硬化インクで形成されたカソード集電層と、
前記カソード集電層上に設けられ、乾燥インクまたは硬化インクで形成されたカソード層と、
前記第１の基板上の前記一対の対向側部間に設けられ、前記カソード層と同一平面内に配設されたアノード層と、
前記カソード層および前記アノード層の両者と接触する液体電解質を含む電解質層であり、前記第１の基板が前記第２の基板に接続および封止されることによって前記電解質を含む内部空間が形成されるとともに、前記カソード層および前記アノード層の少なくとも主要部が前記内部空間に含まれる、電解質層と、
前記カソード集電層に対して電気的に結合されるとともに、前記第１の基板の前記一対の対向側部の一方に沿って配設された第１の電極コンタクトと、
前記アノード層に対して電気的に結合されるとともに、前記第１の基板の前記一対の対向側部の他方に沿って配設された第２の電極コンタクトと、を備え、
前記カソード集電層が、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含み、
前記平方数が、前記第１の基板の前記一対の対向側部間の方向に延びる前記カソード集電層の高さを、前記一対の対向側部の一方に沿った方向に延びる前記カソード集電層の幅で除算することによって決定される、可撓性バッテリ。
【請求項２】
前記カソード集電層が、前記平方数がおよそ１以下となるような高さおよび幅を有する形状を含む、請求項１に記載の可撓性バッテリ。
【請求項３】
前記アノード層と前記第１の基板との間に設けられたアノード集電層をさらに備え、前記カソード集電層および前記アノード集電層が同一平面内に配設されている、請求項１に記載の可撓性バッテリ。
【請求項４】
前記カソード集電層が、前記第１の基板の前記一対の対向側部の一方に沿って配設され、前記アノード集電層が、前記第１の基板の前記一対の対向側部の他方に沿って配設された、請求項３に記載の可撓性バッテリ。
【請求項５】
前記第２の電極コンタクトが、前記アノード集電層に対して電気的に結合された、請求項４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項６】
前記アノード層および前記アノード集電層の少なくとも一方が、乾燥インクまたは硬化インクで形成されている、請求項３に記載の可撓性バッテリ。
【請求項７】
前記アノード層が、印刷された亜鉛を含む、請求項６に記載の可撓性バッテリ。
【請求項８】
前記アノード集電層が、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含み、
前記平方数が、前記第１の基板の前記一対の対向側部間の方向に延びる前記アノード集電層の高さを、前記一対の対向側部の一方に沿った方向に延びる前記アノード集電層の幅で除算することによって決定される、請求項３に記載の可撓性バッテリ。
【請求項９】
前記第１の基板と前記第２の基板との間に介装され、前記第１の基板を前記第２の基板に接続および封止することによって前記内部空間を形成するフレームをさらに備えた、請求項１に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１０】
前記フレームが、硬化接着インク、乾燥接着インク、および感圧接着剤のうちの少なくとも一つ含む、請求項９に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１１】
前記第１の基板および前記第２の基板の一方が、貫通して延びる切り出し領域を含むことによって、前記第１の電極コンタクトおよび前記第２の電極コンタクトの一方が前記切り出し領域を介して露出した、請求項１に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１２】
前記電解質が、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）の水溶液を含む、請求項１に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１３】
前記電解質が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）の少なくとも一方を含むアルカリ性電解質を含む、請求項１に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１４】
電流を生成する少なくとも２つの電気化学セルを含む可撓性バッテリであって、
一対の対向側部を含む第１の基板と、
第２の基板と、
第１のカソード集電層、前記第１のカソード集電層上の第１のカソード、および第１のアノードを含む前記第１の基板上の第１の電気化学セルであり、前記第１のカソード集電層が、前記第１の基板上の前記一対の対向側部間に設けられた、第１の電気化学セルと、
第２のカソード集電層、前記第２のカソード集電層上の第２のカソード、および第２のアノードを含む前記第１の基板上の第２の電気化学セルであり、前記第２のカソード集電層が、前記第１の基板上の前記一対の対向側部間に設けられた、第２の電気化学セルと、
前記第１の電気化学セルおよび前記第２の電気化学セルとそれぞれ接触する第１の液体電解質および第２の液体電解質であり、前記第２の基板層が前記第１の基板層に接続されることによって、前記第１の液体電解質および前記第２の液体電解質をそれぞれ含む第１の内部空間および第２の内部空間が形成された、第１の液体電解質および第２の液体電解質と、
前記第１の電気化学セルを前記第２の電気化学セルに対して並列に電気的に結合する第１の電気ブリッジと、
前記第１のカソード集電層に対して電気的に結合されるとともに前記第１の基板の前記一対の対向側部の一方に沿って配設された第１の電極コンタクトと、
前記第１のアノード層に対して電気的に結合されるとともに前記第１の基板の前記一対の対向側部の他方に沿って配設された第２の電極コンタクトと、を備え、
前記第１のカソード集電層および前記第２のカソード集電層がそれぞれ、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含み、
前記平方数が、前記第１の基板の前記一対の対向側部間の方向に延びる前記各カソード集電層の高さを前記一対の対向側部の一方に沿った方向に延びる前記各カソード集電層の幅で除算することによって決定された、可撓性バッテリ。
【請求項１５】
前記第１の電気化学セルの前記第１のアノード層と前記第１の基板との間に設けられた第１のアノード集電層と、前記第２の電気化学セルの前記第２のアノード層と前記第１の基板との間に設けられた第２のアノード集電層と、をさらに備えた、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１６】
前記電気ブリッジが、前記第１のカソード集電層と前記第２のカソード集電層とを電気的に結合し、前記バッテリが、前記第１のアノード集電層と前記第２のアノード集電層とを電気的に結合する第２の電気ブリッジをさらに備えた、請求項１５に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１７】
前記第１の電極コンタクトが前記第１の電気ブリッジ上に設けられ、前記第２の電極コンタクトが前記第２の電気ブリッジ上に設けられた、請求項１６に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１８】
前記第１のアノード集電層および前記第２のアノード集電層がそれぞれ、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含み、前記平方数が、前記第１の基板の前記一対の対向側部間の方向に延びる前記各アノード集電層の高さを前記一対の対向側部の一方に沿った方向に延びる前記各アノード集電層の幅で除算することによって決定された、請求項１５に記載の可撓性バッテリ。
【請求項１９】
前記第１のカソード集電層および前記第２のカソード集電層の両者が、前記第１の基板の前記一対の対向側部の同じ一方に沿って配設され、前記第１のアノードおよび前記第２のアノードの両者が、前記第１の基板の前記一対の対向側部の同じ他方に沿って配設された、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項２０】
前記第１のカソード層および前記第１のアノード層が同一平面内に配設され、前記第２のカソード層および前記第２のアノード層が同一平面内に配設されている、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項２１】
前記第１のカソード集電体、前記第２のカソード集電体、前記第１のカソード、前記第２のカソード、前記第１のアノード、および前記第２のアノードがすべて、硬化インクまたは乾燥インクを含む、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項２２】
前記第１の基板上に第３の電気化学セルおよび第４の電気化学セルをさらに備え、
前記第３の電気化学セルおよび前記第４の電気化学セルは、前記第１のカソード集電層および前記第２のカソード集電層に対して電気的に結合されたカソード集電層をそれぞれ含む、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項２３】
前記電解質が、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）の水溶液を含む、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【請求項２４】
前記電解質が、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）の少なくとも一方を含むアルカリ性電解質を含む、請求項１４に記載の可撓性バッテリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年１１月２７日に出願された米国仮出願第６１／７３０，０８３号の利益を主張し、その全内容を本明細書中に援用する。
【０００２】
本発明は、一般的には電気化学セルまたはバッテリに関し、より詳細には大電流薄型電気化学セルおよびその電気化学セルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
過去１００年ほどの間、電気回路または電子回路の設計および組み立てプロセスは、劇的に変化してきた。およそ１００年前、ＤＣ給電回路は、配線で接続されるとともに、ボックス形式に手はんだ付けされていた。ボックスには、大電流の電子コンポーネントまたは電気コンポーネントが固定され、それらが十分な直径の手はんだ付け配線により手動で接続され、必要とされる電流および電圧を伝送していた。これら回路の多くでは、大型の多電圧バッテリがバッテリ区画に配置され、回路に手はんだ付けされていた。一般的なバッテリサイズとしては、６Ｖのランタン用バッテリまたは６インチサイズ（もしくは、さらに小さなサイズも考えられる）の複数の単位セルで構成されたバッテリパックが可能であった。また、バッテリが消耗した場合には、はんだを除去して、回路製作時と同様に交換していた。
【０００４】
およそ６０年前、トランジスタ等の電子部品の発明によって、回路の設計および製造は大きく様変わりした。この電子的な変化により、必要な電流が大幅に小さくなるとともに必要な電圧が何倍も低くなって、より効率的かつコンパクトに回路を構成可能となった。これにより、ウェーブはんだ付け法によって、回路基板上に回路を構成できるようになった。また、このウェーブはんだ付け組み立て法の一部として、バッテリホルダも回路に組み込まれていた。必要な電圧および電流が大幅に低減されたことから、電源のサイズも縮小可能となった。現在では、一般的な電源のサイズとして、Ｄ（単一形）、Ｃ（単二形）、ＡＡ（単三形）、ＡＡＡ（単四形）、トランジスタ用９Ｖバッテリ、あるいはコイン型セルまたはボタン型セルも可能となった。バッテリホルダを備えたこれらの新たな回路では、消費者は、装置の使用開始時にバッテリを取り付け可能となった上、消耗したバッテリの交換が非常に容易となった。
【０００５】
近年は、いくつかのＢｌｕｅ  Ｓｐａｒｋ特許出願に記載の通り、可撓性基板上の印刷電子機器が新たな潮流となっており、需要が高まっている。この潮流においては、回路の一部または全部に加えて、電子コンポーネントの一部が印刷される。通常、この種の回路では、ディスプレイ、ＩＣチップ、センサ、アンテナ、光源、およびフラット印刷バッテリ等の比較的小容量の電源を含むことも可能である。また、いくつかの用途においては、全面的に統合化した様態で電源を印刷することも可能である。
【０００６】
あるいは、電源は、異なる様態で統合可能である。電源は、コスト削減のため、完全なセルまたはバッテリとして提供されるフラットバッテリとして印刷あるいは構成した後、所望の回路に統合可能である。たとえば、一般的なセルは、およそ直流１．５Ｖを提供可能である。より高い電圧が必要な場合、従来は、２つ以上のセルを直列に接続して電圧を高くすることが知られている。同様に、複数のセルを並列に接続することによって、有効容量を大きくすることが可能である。たとえば、バッテリは、電気的に直列に接続された２つのセルを含むことによって、直流３Ｖを提供可能である。ただし依然として、複数のセルを備えた場合であっても、小さな回路に使用するため、バッテリの全体サイズを縮小することが望ましい。同時係属出願である２００５年４月２０日に出願された米国出願第１１／１１０，２０２号、２００６年４月２４日に出願された米国出願第１１／３７９，８１６号、２０１０年６月２１日に出願された米国出願第１２／８０９，８４４号、２０１１年３月３０日に出願された米国出願第１３／０７５，６２０号、２０１２年９月２４日に出願された米国出願第１３／６２５，３６６号、および２０１３年５月２１日に出願された米国出願第１３／８９９，２９１号、ならびに発行済みの米国特許第８，０２９，９２７号、第８，２６８，４７５号、第８，４４１，４１１号、および第８，５７４，７４５号には、フラットセルおよびバッテリの様々な設計および製造方法が記載されており、これらすべてを本明細書中に援用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
低コストかつ小容量の薄型フラットセルに対する市場ニーズの高まりに応じて、多用途かつ安価に大量生産可能な薄型の印刷可能なフラット可撓性セルを生産するのが有益である。低電力かつ高生産量の用途に適した印刷可能かつ使い捨ての薄型セルであれば、特に、適当な電圧、十分な容量、レート容量、および低コストという解決策が得られる場合に有用となる。従来の薄型バッテリは通常、これらの特性を備えているとしても、ごく僅かである。
【０００８】
さらに、近年は、アクティブＲＦＩＤタグ、ＲＦＩＤタグを備えたセンサ、センサを備えて体温を検出する皮膚パッチのほか、このようなデータの記録、無線送信および／または無線受信を行う電子機器、電気泳動等の電気的機能を提供する皮膚パッチ等、様々な電子装置に対するニーズが高まっている。これらの様々な電子装置は、様々な電気装荷特性を有し得る。したがって、比較的大きな電流を確実に提供可能な薄型フラット電源を提供することが有益となり得る。一例では、この薄型フラット電源は、別個に製造した後、様々な電子装置に対して電気的に結合することが可能である。別の例では、この薄型フラット電源の製造は、電気コンポーネントに給電する所望のコンポーネント回路の製造と統合することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下、本発明の概要を提示することによって、本発明のいくつかの例示的な態様に対する基本的な理解を与える。この概要は、本発明の広範な概観ではない。さらに、この概要は、本発明の重要な要素を特定することを意図したものではなく、また、本発明の範囲を正確に記述することを意図したものでもない。この概要は、後述するより詳細な説明の導入として、本発明のいくつかの概念を簡潔に提示することのみを目的とする。
【００１０】
本発明の一態様によれば、可撓性バッテリは、電流を生成する少なくとも１つの電気化学セルを含み、そのバッテリが、一対の対向側部を含む第１の基板と、第２の基板とを備える。第１の基板上の一対の対向側部間には、カソード集電層が設けられ、カソード集電層は乾燥インクまたは硬化インクで形成されている。また、カソード集電層上にはカソード層が設けられ、カソード層は乾燥インクまたは硬化インクで形成されている。第１の基板上の一対の対向側部間には、アノード層が設けられ、カソード層およびアノード層が同一平面内に配設されている。電解質層は、カソード層およびアノード層の両者と接触する液体電解質を含み、第１の基板が第２の基板に接続および封止されることによって電解質を含む内部空間が形成されるとともに、カソード層およびアノード層の少なくとも主要部が内部空間に含まれている。また、カソード集電層に対して電気的に結合されるとともに第１の基板の一対の対向側部の一方に沿って配設された第１の電極コンタクトが設けられ、アノード層に対して電気的に結合されるとともに第１の基板の一対の対向側部の他方に沿って配設された第２の電極コンタクトが設けられている。カソード集電層は、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含む。平方数は、第１の基板の一対の対向側部間の方向に延びるカソード集電層の高さを一対の対向側部の一方に沿った方向に延びるカソード集電層の幅で除算することによって決定される。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、可撓性バッテリは、電流を生成する少なくとも２つの電気化学セルを含み、そのバッテリが、一対の対向側部を含む第１の基板と、第２の基板とを備える。第１の基板上には、第１の電気化学セルが設けられ、第１のカソード集電層、その第１のカソード集電層上の第１のカソード、および第１のアノードを含み、第１のカソード集電層が、第１の基板上の一対の対向側部間に設けられている。第１の基板上には、第２の電気化学セルが設けられ、第２のカソード集電層、その第２のカソード集電層上の第２のカソード、および第２のアノードを含み、第２のカソード集電層が、第１の基板上の一対の対向側部間に設けられている。また、第１の電気化学セルおよび第２の電気化学セルとそれぞれ接触する第１の液体電解質および第２の液体電解質が設けられており、第２の基板層が第１の基板層に接続されることによって、第１の液体電解質および第２の液体電解質をそれぞれ含む第１の内部空間および第２の内部空間が形成されている。また、第１の電気化学セルを第２の電気化学セルに対して並列に電気的に結合する第１の電気ブリッジが設けられている。また、第１のカソード集電層に対して電気的に結合されるとともに第１の基板の一対の対向側部の一方に沿って配設された第１の電極コンタクトと、第１のアノード層に対して電気的に結合されるとともに第１の基板の一対の対向側部の他方に沿って配設された第２の電極コンタクトとが設けられている。第１のカソード集電層および第２のカソード集電層はそれぞれ、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含む。平方数は、第１の基板の一対の対向側部間の方向に延びる各カソード集電層の高さを一対の対向側部の一方に沿った方向に延びる各カソード集電層の幅で除算することによって決定される。
【００１２】
上記の大略的な説明および以下の詳細な説明はいずれも、本発明の例示的かつ説明的な実施形態を提示しており、特許請求の範囲に係る本発明の性質および特徴を理解するための要旨または枠組みを提供することを意図したものであることが理解されるべきである。添付の図面は、本発明をより深く理解するためのものであって、本明細書に援用するとともに明細書の一部を構成する。各図面は、本発明の種々例示的な実施形態を示しており、説明と併せて、本発明の原理および動作を説明するのに役立つ。
【００１３】
本発明の上記および他の態様については、添付の図面を参照しつつ以下の説明を読むことによって、本発明が関係する当業者に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のバッテリ構成の一例を示した図である。
【図２】従来のバッテリ構成の別の例を示した図である。
【図３】図１および図２のバッテリを第１の実験形態で用いた場合の実験結果を示したグラフである。
【図４】図１および図２のバッテリを第２の実験形態で用いた場合の実験結果を示したグラフである。
【図５】本出願の一態様に係るバッテリ構成の新たな一例を示した図である。
【図６】本出願の別の態様に係るバッテリ構成の新たな別の例を示した図である。
【図７】図１、図２、図４、および図５のバッテリを第３の実験形態で用いた場合の実験結果を示したグラフである。
【図８】図１、図２、図４、および図５のバッテリを第４の実験形態で用いた場合の実験結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の１つまたは複数の態様を包含する例示的な実施形態を図面にて説明および図示する。これら図示した例は、本発明を限定することを意図したものではない。たとえば、本発明の１つまたは複数の態様は、他の実施形態ひいては他種の装置においても利用可能である。さらに、本明細書においては、便宜上の理由のみで特定の専門用語を使用しており、本発明を限定するものと捉えるべきではない。さらに、図面中、同じ要素を指定する際には、同じ参照番号を採用している。
【００１６】
一般的に、本出願は、大電流薄型電気化学セルおよびその電気化学セルの製造方法に関する。本明細書の概念は、同一平面構成を用いた例示的なバッテリにより表現しているが、様々な形状の共対面（co-facial）セル設計に使用することも可能である。
【００１７】
過去１００年ほどの間、ドライセルは、アルカリ性Ｚｎ／ＭｎＯ２、様々な電解質を備えたＣ／Ｚｎ、Ｌｉ／ＭｎＯ２等、様々な種類の化学系で構成されてきた。また、これらセルの大部分は、円筒、角柱、および薄型フラット構造等、様々な幾何学的形状を有していた。これら従来の構成では、セルおよび電極は、高背かつ狭隘であった。そして、より大きな容量および／またはより高いレート能力が必要な場合、セル設計者は、これらのパッケージを大型化するのみであった。容量を抑える必要がある場合は、セルを小型化するのみであった。この設計基準が成功を収めていたため、およそ１５〜２０年前に薄型の印刷フラットセルが導入された際には、同じ設計基準を用いて成功した例もあった。近年、高いドレイン能力を備えた小型のセルを設計するという課題に対して、異なる設計基準が必要となっている。この新たな基準を以下の段落において説明する。
【００１８】
印刷アノードを備えた薄型の印刷フラットセルの作製では、本出願人は、ドレインレートおよび放電効率に関するセル性能が実用的であり、様々なドレインレートにおいて効率的になるのであれば、従来の「高背かつ狭隘なセルおよび電極」（図１および図２参照）を変更可能であることを見出した。薄型の印刷セルは、その大部分において電極集電体および電極用のインクを使用しており、また、これらのインクは通例、その他の構成に見られる金属部品や、亜鉛箔アノードを有する本出願人の初期のセルに見られる金属部品よりも導電率が低い。高背かつ狭隘な電極を備えた高背かつ狭隘なセルを作製した場合、そのセルの内部抵抗は高くなる可能性があるため、大電流および高放電効率に対する潜在的な障壁となる。セルの内部抵抗は、（Ａ）電解質の導電率、（Ｂ）セパレータの抵抗、（Ｃ）両電極の抵抗、および（Ｄ）両電極集電体の抵抗等、多くの要素に起因する。
【００１９】
一般的に、前者２つの要素（ＡおよびＢ）は比較的小さな因子である一方、両電極の抵抗および両集電体の抵抗を含む後者２つの要素（ＣおよびＤ）は、比較的大きな因子であって、セル全体の抵抗に影響する。上記インクが非導電性バインダやその他の材料を混合した導電性粉末であるため、電極および集電体の導電率は通常、金属部品を用いる場合よりも低い。現在、本出願人は、大電流および高放電効率に関するさらに大きな因子として、電極およびその集電体の形状が考えられることを把握している。
【００２０】
図１および図２は、上記の理由、高抵抗の影響、および簡単に抵抗を抑制可能な方法を説明するための従来のバッテリ構成を示している。図１は、本出願人の従来セル１０００の一例を示した上面図である。本出願人の同時係属出願である２００５年４月２０日に出願された米国出願第１１／１１０，２０２号、２００６年４月２４日に出願された米国出願第１１／３７９，８１６号、２０１０年６月２１日に出願された米国出願第１２／８０９，８４４号、２０１１年３月３０日に出願された米国出願第１３／０７５，６２０号、２０１２年９月２４日に出願された米国出願第１３／６２５，３６６号、および２０１３年５月２１日に出願された米国出願第１３／８９９，２９１号、ならびに発行済みの米国特許第８，０２９，９２７号、第８，２６８，４７５号、第８，４４１，４１１号、および第８，５７４，７４５号には、フラットセルおよびバッテリの様々な設計および製造方法が記載されており、これらすべてを本明細書中に援用する。
【００２１】
従来セル１０００は、その構成の基礎であって５層の積層構造が可能な底部の第１の基板１０１を特徴とする。説明を分かり易くするため、上部カバーは図示していない（ただし、底部層／カバーと同様に構成可能）。基板１０１の上面には、基板１０１の一部にカーボン製のカソード集電層２が印刷されている。このカソード集電層２は、底部シール１Ａの内側からセル１０００の上部まで延びて、正極コンタクト４を形成している。また、カソード集電層２は、コンタクト領域４の直前まで、上部シール１Ｃの下側を通過している。カソード集電層２が完全に乾燥した後、４つのシールエッジ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、および１Ｄの内側エッジによって形成されたシール領域の内側にある集電体領域上には、カソード３を印刷する。これら２つの要素であるカソード集電層２およびカソード３は、カソード／カソードアセンブリ２３を構成する。また、基板１０１には、カソード集電体２３に隣接してアノードアセンブリ５７が積層されている。本出願人の従来セルでは、両面感圧接着剤５に積層された亜鉛箔アノードストリップ７を使用していた。本製造プロセスでは、アノード−集電体アセンブリ層が上部シール１Ｃを越えてセル１０００の底部からセル１０００の上部まで延びて、負極コンタクト６を形成するようにしている。このアノードサブアセンブリ５７を作製した後は、底部の剥離ライナを除去して、カソード−集電体アセンブリ２３の隣で（およそ０．０６０インチの間隙１０を介して）アノードサブアセンブリ５７をセル基板１０１に積層した。電極を所定の位置に配置した後、アノードアセンブリ５７およびカソードアセンブリ２３上かつシール領域の内側には、セパレータ８を配置する。セパレータは通常、シール領域の内側よりも小さい。その後、ＺｎＣｌ２の２７％水溶液等の電解質１７をセル１０００のセパレータ８に添加する。本例のセルの場合、カソード−集電体アセンブリは、高さがおよそ２．８０インチ、幅がおよそ０．９５インチであった。また、このセルのアノードは、幅がおよそ０．２０インチ、高さがおよそ２．８０インチであった（ただし、底部シール領域１Ａ中の領域は含まない）。
【００２２】
図２は、上述の亜鉛箔アノードストリップの代わりに印刷アノードアセンブリ９９９を備えた別のセル構成を示している。図２のセル１１００では、アノード集電体９上に印刷された印刷亜鉛アノード９９を使用しており、アノードの幅がおよそ０．２７０インチまで広くなっている。カーボン製の印刷アノード集電体９および印刷アノード９９を備えた印刷アノードアセンブリ９９９を除くその他すべての要素は、図１の要素と同一または類似である。アノード集電体９およびカソード集電体２の両者は、同時に印刷可能であり（または、異なる時間でも可能）、セル１０００のカソード集電体２と同じインクを使用可能である。
【００２３】
「シート抵抗」としても知られる表面抵抗率は、平方当たりのオームとして表現される。シート抵抗は、概して一様な厚さを有する薄膜の抵抗の測定値である。また、シート抵抗は、薄膜を２次元実体と見なす２次元系に適用可能である。これは、３次元系において用いられる抵抗率と似ている。「シート抵抗」という用語を使用する場合、電流は、シートの平面に垂直ではなく、その平面に沿って流れている必要がある。
【００２４】
導電高さは、カソード集電体の領域（上部から底部）およびアノード集電体の領域（上部から底部）間を各電極コンタクトまで電流が伝わることになる距離である。導電高さを本質的に低くすると、セルの内部抵抗は低くなる。また、カソード集電体の抵抗が相対的に低くなることから、電流を大きくすることが可能である。抵抗は、平方数が少なくなるために低くなる。正極コンタクトを含む底部から上部までのカソード集電体の抵抗は、カソード集電体中の平方数を計算することによって決定可能である。また、平方数は、集電体の高さを集電体領域の最も狭い幅で除算することによって決定される。本明細書の新たなセル設計を用いた場合の平方数は、標準的な構成を用いた類似サイズのセルに比べて大幅に少なくなる。たとえば、本出願の平方数としては一般的に、３つ以下が可能である。別の例では、本出願の平方数としては一般的に、１つ以下が可能である。
【００２５】
当業界では、導電性インクは通常、乾燥厚さ１ミルでのオーム／平方としての導電率を特徴とする。本例のセルサイズ（すなわち、図１および図２）におけるこれら２つの電極の抵抗は、以下のように計算可能である。各電極集電体アセンブリの高さは、およそ２．８０インチ（７．１ｃｍ）で、カソード集電体２の幅がおよそ０．９５インチ（２．４３ｃｍ）である。また、亜鉛箔アノードは、高さがおよそ２．８０インチ（７．１ｃｍ）、幅がおよそ０．２０インチ（０．５１ｃｍ）である。図１のセル１０００では、カソード集電体は、およそ２．９個の平方を有し、アノード集電体は、およそ１４．０個の平方を有する。乾燥厚さがおよそ０．００１インチであるカーボンインク集電体の抵抗率は、およそ３３Ω／平方である（本出願人による測定結果）。これは、カソード集電体の理論抵抗がおよそ９６Ω（３３Ω／平方×２．９平方）であることを意味する。アノードは、抵抗率がおよそ５．５×１０−４Ω／ｃｍ（ハンドブック値）である非常に導電性が高い亜鉛箔を有する。アノード抵抗の計算は、以下の通りである。すなわち、アノード抵抗＝（高さ／集電体全体の表面積）×抵抗率である。上記例の値を用いると、例示的な計算は、以下の通りである。すなわち、（７．１ｃｍ／（７．１×０．５１））×５．５×１０−４＝およそ０．００１０８Ω（理論値）。
【００２６】
亜鉛純度、表面汚染、測定技術、および器具接触抵抗等の多くの因子により、本出願人がＦｌｕｋｅブランドのマルチメータを用いて実際に測定したアノード抵抗は、およそ１〜２Ωであった。ここで、セルが印刷亜鉛インクを有する場合、その抵抗は通例、亜鉛箔を備えたアノードよりも高くなる。図２に示すアノード（高さ２．８インチかつ幅０．２７インチ（亜鉛箔より幅広）すなわちおよそ１０．４個の平方）の一般的な抵抗は、以下のように計算される。印刷亜鉛インクの抵抗率は、１ミル厚にておよそ２２５Ω／平方（本出願人による測定結果）であるため、アノード抵抗は、以下のように計算される。すなわち、１０．４平方×およそ２２５Ω／平方＠１ミル厚／６ミル厚＝およそ３９０Ωである。なお、２２５Ω／平方という抵抗率は、材料の厚さが１ミルの場合のものであり、材料の厚さが増すにつれて抵抗率は低くなることに留意されたい。印刷プロセス、調合に用いたバインダおよびカーボンによる印刷の有孔性に起因して、印刷アノードは通常、箔アノードよりも厚い。ここで、アノードの厚さはおよそ６ミルであり、上記の計算に反映されて、対応する因子６の分だけ抵抗が抑えられている。
【００２７】
ここで、図３および図４には、図１および図２のセル性能の比較を示している。図３のセル性能（様々な負荷におけるおよそ２秒パルス電圧での平均セル閉回路電圧（ＣＣＶ））および図４のセル性能（負荷４７０Ωでの連続放電）、すなわち、この小型セルに対しては非常に高いドレインレートである約２ｍＡの平均電流に関する性能は、亜鉛箔を備えた図１のセル１０００および印刷亜鉛を備えた図２のセル１１００について示している。実験データについては、室温で行った実験の結果を一覧にした。また、図４は、２つの比較セル１０００および１１００の放電効率を示している。図３は、高ドレインレートの図１のセル１０００（亜鉛箔アノード）が図２のセル１１００（印刷亜鉛）よりもはるかに高いパルス電圧および電流を有することを示している。ただし、負荷が約２１００Ωまたは約０．７ｍＡになると、２つの違いがなくなるため、セル電極の抵抗が電流低減のための大きな因子ではないことが分かる。図４は、亜鉛箔アノードアセンブリ５７で構成された図１のセル１０００が印刷亜鉛アノードを備えた図２のセル１１００のセルに対して、試験全体ではるかに高い動作電圧を有するとともに、０．９０Ｖまでの動作時間が２倍、出力容量が２倍、かつ放電効率が２倍であることを示している。これらのセル構成はいずれも、およそ２．６６平方インチの有効面積を有する。印刷亜鉛は亜鉛箔アノードよりも多くの利点があることから、これらのセルを高ドレインレートおよび高放電効率にできれば都合が良い。これらの利点としては、低コスト、生産容易性、ならびにより多くの形状およびサイズを可能とする高い設計自由度等が挙げられる。上記に基づいて、電極および集電体の抵抗を抑制すればこの状況に役立つと思われる。
【００２８】
現在、本出願人は、比較的大きな電流および高い放電効率に関するさらに大きな因子として、電極およびその集電体の形状が考えられることを把握している。さらに、本出願人は、セル中の平方数を最少化することがこの目的を達成するための有益かつ比較的実施が容易な方法であろうことを把握している。以下は、この概念の検証である。高背かつ狭隘な電極の代わりに低背かつ幅広な電極に関する本明細書に記載の新たな設計基準を用いることによって、電極集電体の抵抗は大幅に抑えられる。したがって、この設計により、従来セルに比べて比較的高いドレインレートおよび高い放電効率がもたらされる。この新たなセルは本明細書において「低背かつ幅広」と記載するが、この記載は、図示の実施形態に関する便宜上のものであって、本出願を限定することを意図したものではないことが理解される。この新たなセル設計では、円形、楕円形、正方形、および多角形等、要望に応じた様々な形状を利用可能である。
【００２９】
本明細書に記載のバッテリは、同一平面構成にて図示している。同一平面構成には、製造が比較的容易であり、一貫した信頼性のある性能が得られ、同じ平面上に外部コンタクトが提供されるという複数の利点がある。当初は、主に比較的低レベルの電流を供給する電源として薄型の印刷セルが設計されていたが、現在では、標準的な同一平面電気化学セル構成よりも大きな電流を確実に提供可能な薄型のフラット電源に対するニーズが高まっている。より大きな電流を確実に提供可能な薄型のフラット電源に対するニーズがあることから、初期の同一平面セル／バッテリと同じ利点がありながらも、より大きな電流を提供可能な構成を追求した。図５および図６には、より大きな電流を提供可能であるとともに、他の重要な性能の利点も有する例示的な新規低背・幅広バッテリ構成の上面図を示している。これらは一般的に、カソード集電体抵抗の抑制、セル内部抵抗の抑制による同じ負荷でのパルス電圧の上昇、電流の増大に伴って大きくなるパルス電圧の向上、ならびに高ドレイン試験および／または高放電効率に関する高電圧カットオフまでの動作時間の延長等のうちの１つまたは複数を含む。また、この新設計の電気化学セルは、印刷（たとえば、印刷機の使用）によって容易に作製されるように設計されており、たとえば、セル／バッテリを電子的用途と直接統合可能である。
【００３０】
ここで、図５を参照すると、この上面図は、新たなセル設計２０００の一例を示している。明確化のため、上部カバーは図示していない（ただし、底部層／カバーと同様に構成可能）。セル２０００は、その構成の基礎として、セル１０００およびセル１１００に用いられているものと同一または類似の基板２０１を特徴とする。基板２０１上には、基板２０１の一部にカーボン製のカソード集電層２０が印刷されている。この集電体は、幅がおよそ１．０インチで、セルの中ほど近傍から延びており、アノード集電体３０から約０．０６０インチの間隙１０をもたらしている。また、このカソード集電体２０は、上部シール２Ｃの下側で延びており、辺２０１Ａに沿って配置された正極コンタクト４を形成している。カソード集電体２０は、側部シール２Ｂおよび側部シール２Ｄの一方または両方の下側でも延びることによって、電気抵抗をさらに抑制可能な僅かに幅広の層を提供可能と考えられる。集電体が完全に乾燥した後、およそ０．８２５平方インチで３つのシールエッジ２Ｂ、２Ｃ、および２Ｄの内側エッジから約０．０５０インチ（ただし、他の寸法も考えられる）離れたシール領域４００の内側にある集電体領域上にカソード２１を印刷する。これら２つの要素２０および２１は、カソード−カソード集電体アセンブリ２５を構成する。同様に、アノード集電体３０およびアノード３１は、アノード−アノード集電体アセンブリ３５を構成する。アノード集電体層３０は、高さが約０．６０インチで、底部シール２Ａの外側から延びており、セル中心近傍の電極間隙の辺２０１Ｂに沿って配置された負極コンタクト６を形成している。また、アノード集電層３０についても、側部シール２Ｂおよび側部シール２Ｄの一方または両方の下側で延びることによって、電気抵抗をさらに抑制可能な僅かに幅広の層を提供可能と考えられる。アノード−アノード集電体アセンブリ３５は、およそ０．０６０インチの間隙１０でカソード−集電体アセンブリ２５に隣接して、基板２０１上に印刷されている。このセル２０００においては、カソードの高さが約０．７０インチである一方、カソード−集電体アセンブリは、高さがおよそ１．０インチであり、セルの上部まで延びて正極コンタクト４を形成している。このセルのアノードは、幅がおよそ１．００インチ、高さがおよそ０．３０インチであり、シール２Ａ、シール２Ｂ、およびシール２Ｄから約０．０５０インチだけ離れている。この特定の例では、このようにアノード／カソード高さの比を３０：７０としている理由は、セルのバランスを取れるようにして、アノードのｍＡＨｒｓをカソードの約２〜３倍とするためである。ただし、アノード対カソード比は、セルサイズ、形状、および印刷方法等の多くの因子に応じて変更可能であり、完全なセルに関して所望の性能プロファイルが得られるように調整してもよい。たとえば、その他の考え得るアノード対カソード比としては、２０：８０、２５：７５、３５：６５、４０：６０、６０：４０、６５：３５、７０：３０等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３１】
本出願人は、セル中の平方数を最少化することによってバッテリの比較的大きな電流および高い放電効率が実現可能であることを把握しているため、バッテリのカソード集電層２０は、平方数がおよそ５以下となるような高さおよび幅を有する形状を含むのが好ましい。より具体的に、カソード集電層は、平方数がおよそ５以下、より好ましくは３以下、さらに好ましくは１以下となるような高さおよび幅を有する形状を含む。図５に示す一例では、平方数は、第１の基板２０１の一対の対向側部（たとえば、辺２０１Ａと辺２０１Ｂ）間の方向に延びるカソード集電層の高さ（ＣＣＨ）を一対の対向側部の一方（たとえば、辺２０１Ａ）に沿った方向に延びるカソード集電層の幅（ＣＣＷ）で除算することによって決定される。矩形状を有する図示の例では、カソード集電層の高さおよび幅（ＣＣＨおよびＣＣＷ）は、実質的に垂直な軸に沿って測定される。このため、カソード集電層２０に沿って各正極コンタクト４まで電流が伝わることになる導電距離ＣＣＨは、セル１０００およびセル１１００の導電距離に比べて、実質的に短くなっていることが分かる。同様に、アノード集電層３０は、平方数がおよそ５以下、より好ましくは３以下、さらに好ましくは１以下となるような高さおよび幅を有する形状を含むのが好ましい。平方数は、第１の基板２０１の一対の対向側部（たとえば、辺２０１Ａと辺２０１Ｂ）間の方向に延びるアノード集電層の高さ（ＡＣＨ）を一対の対向側部の一方（たとえば、辺２０１Ａ）に沿った方向に延びるアノード集電層の幅（ＡＣＷ）で除算することによって決定される。上記と同様に、ＡＣＨおよびＡＣＷは、実質的に垂直な軸に沿って測定される。また、上記と同様に、アノード集電層３０に沿って各負極コンタクト６まで電流が伝わることになる導電距離ＡＣＨは、セル１０００およびセル１１００に比べて、実質的に短くなっている。図５に見られるように、この構成によれば、バッテリには低背かつ幅広な構成が与えられる。導電高さを本質的に低くすることによって、セルの内部抵抗が低くなるため、カソード集電層およびアノード集電層の抵抗が相対的に低くなることから、電流を大きくすることが可能である。
【００３２】
本例では、カソードの容量は約５．５ｍＡＨｒｓの入力を有し、アノードは約１５ｍＡＨｒｓの入力を有する（これらは、理論的な能力である）。このセルサイズにおけるこれら２つの電極集電体アセンブリの抵抗は、セル１１００およびセル１０００に関する上記の場合と同様に計算可能である。カソード電極−集電体アセンブリは、幅（ＣＣＷ）がおよそ１．００インチ、高さ（ＣＣＨ）がおよそ１．００インチであり（シール２Ｃの下側の領域を含む）、約１．００個の平方を与える（１．０／１．０＝１．０）。カソード集電体用のカーボンインクの抵抗率は、厚さ０．００１インチ当たりおよそ３３Ω／平方である（本出願人による測定結果）。これは、カソード集電層の抵抗がおよそ３３Ω（３３Ω／平方×１．０平方）と計算され、セル１１００の抵抗（９６Ωと計算されている（上記参照））の約３４％に過ぎないことを意味する。アノードの場合、アノード電極／集電体アセンブリは、幅（ＡＣＷ）がおよそ１．００インチ、高さ（ＡＣＨ）がおよそ０．６０インチであり（シール２Ａの下側の領域を含む）、約０．６０個の平方を与える（０．６０／１．０＝０．６０）。カーボン亜鉛インクの抵抗率は、１ミル厚にておよそ２２５Ω／平方であるため、アノード抵抗は、およそ２２．５Ωと計算される（０．６０平方×およそ２２５Ω／平方＠１ミル厚／６ミル厚）。これは、図２のセル１１００の値の６％を表しているに過ぎない。ここで再度、アノードの厚さはおよそ６ミルであり、上記の計算に反映されて、因子６の分だけ抵抗が抑えられている。
【００３３】
容量をさらに大きくすることを目的として、図６は、別のセル／バッテリ構成３０００を示している。類似の要素には、図５と同様の参照番号を使用している。このバッテリは、中央シール２Ｅで分離された２つのセル（たとえば、図５のセル２０００の２つ）を並列に接続することによって作製したものであり、入力容量がおよそ１１ｍＡＨｒｓのバッテリを形成している。たとえば、第１の基板２０１上には、第１の電気化学セル４０が設けられ、第１のカソード集電層、その第１のカソード集電層上の第１のカソード、および第１のアノードを含む。第１のカソード集電層は、第１の基板上の一対の対向側部２０１Ａおよび２０１Ｂ間に設けられている。また、第１の基板上には、第２の電気化学セル４２が設けられ、第２のカソード集電層、その第２のカソード集電層上の第２のカソード、および第２のアノードを含む。第２のカソード集電層は、第１の基板上の一対の対向側部２０１Ａおよび２０１Ｂ間に設けられている。第１のカソード集電層および第２のカソード集電層はいずれも、第１の基板２０１の一対の対向側部の同じ一方（たとえば、２０１Ａ）に沿って配設可能であり、第１のアノードおよび第２のアノードはいずれも、第１の基板２０１の一対の対向側部の同じ他方（たとえば、２０１Ｂ）に沿って配設可能である。また、第１の電気化学セル４０および第２の電気化学セル４２の一方または両方は、第１／第２アノード層と第１の基板との間にアノード集電層を備えることが可能である。第１の電気化学セル４０および第２の電気化学セル４２は、同一平面内にあるのが好ましい。さらには、第１のカソード層および第１のアノード層が同一平面内に配設され、第２のカソード層および第２のアノード層が同一平面内に配設されているのが好ましい。
【００３４】
また、第１の電気化学セルおよび第２の電気化学セルとそれぞれ接触する第１の液体電解質および第２の液体電解質が設けられている。このバッテリは、第１の基板層に接続された第２の基板層により完全となって、上記第１の液体電解質および第２の液体電解質をそれぞれ含む第１の内部空間および第２の内部空間を形成している。第１の内部空間および第２の内部空間は、独立して封止されている。電極の抵抗はセル２０００と同じままであるが、有効面積および入力はそれぞれ、およそ１．７５平方インチおよびおよそ１１ｍＡＨｒと２倍になっている。
【００３５】
また、第１の電気ブリッジは、第１の電気化学セルを第２の電気化学セルに対して並列に電気的に結合している。一例においては、印刷または積層されたジャンパバー５１を設けることによって２つのカソード集電層２０を電気的に接続することにより、並列構成および正極コンタクト４を与えることが可能である。また、第２の電気ブリッジ５２は、第１のアノード集電層および第２のアノード集電層を電気的に結合している。このアノード集電層３０についても、印刷または積層されたジャンパバー５２を用いた同様の構成を用いることによって、並列構成および負極コンタクト６を与えることができる。このように、第１の電極コンタクト４を第１の電気ブリッジ５１上に設けるとともに、第２の電極コンタクト６を第２の電気ブリッジ５２上に設けることが可能である。
【００３６】
低背かつ幅広な電極を備えたこれらセルの高ドレインでの容量および放電効率を増大するため、およそ１１〜２２ｍＡＨｒの入力を有する２つ、３つ、および４つの複数のセルを並列接続で配置することも可能である。たとえば、３つ以上のセル（たとえば、図５のセル２０００の３つ以上）を並列に接続することによって容量を追加することも可能である。一例においては、図５に示すセルの４つを並列に接続することによって、面積および入力容量がそれぞれおよそ３．５平方インチおよびおよそ２２ｍＡＨｒｓと２倍になったバッテリを形成することも可能である。さらには、５つ以上のセルを並列に接続してさらに大きな容量を与えることも可能であることが理解される。
【００３７】
また、これら多セルバッテリの容量は、単位セルを大型化すること、すなわち場合により２つのセルのみを並列にすることによって実現することも可能である。あるいは、バッテリの上部に沿って、１つの幅広なストリップとしてカソード集電層２０をまとめて印刷し、その上に適当なサイズのカソード層を形成することによって、多セルバッテリの代わりに大型の単セルバッテリを形成することも可能である。対応するアノード集電層およびアノードについても、同じようにサイズを拡大することができる。ただし依然として、カソードアセンブリおよびアノードアセンブリに関して平方数を抑えた様々な形状が考えられる。たとえば、カソードアセンブリおよびアノードアセンブリは、複数の軸に沿って拡大することにより、単一の長くて幅広な矩形に代わって、正方形により近い形状を与えることも可能である。また、この新たな設計概念は、ＺｎＣｌ２薄型印刷構成を用いた同一平面設計セルのみに限定されず、フラット、円筒、および角柱形状等の様々な形状の共対面設計のほか、任意の電気化学系に使用することも可能である。
【００３８】
そのような場合でも、上記の低背かつ幅広な電極の設計手法を用いることによって、入力がおよそ１１ｍＡＨｒもしくは２２ｍＡＨｒｓまたは任意の所望入力の単セルを設計および作製可能であることが理解される。たとえば、図５に示したセル２０００と類似の単セルをおよそ２倍の大きさにすることにより、電気化学層の有効面積を２倍にしてバッテリ容量の２倍増を実現するか、あるいは４倍の大きさにすることにより、電気化学層の有効面積を４倍にしてバッテリ容量の４倍増を実現するか、あるいはさらに大きくすることも可能である。例示的な一構成では、バッテリは、約１．７５平方インチで１１ｍＡＨｒｓの電極領域、すなわち図６に示すバッテリ３０００と同じものを提供可能である。これは、様々に実現可能であるが、一例においては、中央シール２Ｅを用いずに、セル３０００と寸法が類似するセルを構成可能であり、単一の細長カソード集電層と、バッテリの全幅を拡張する単一の細長アノード集電層とを備えることも可能である。同様に、複数の軸に沿ってカソード集電層およびアノード集電層の寸法をさらに大きくすることにより、電極領域が約３．５平方インチのバッテリによって、容量が２２ｍＡＨｒｓ（たとえば、セル２０００の４倍）の単位セルを提供することも可能である。当然のことながら、バッテリサイズの拡大は、様々な形状により様々なバッテリ寸法を調整することによって実現可能である。また、小型の単位セルを並列に接続する代わりに単位セルを大きくすることによって、同じパッケージサイズでより大きな入力容量が得られるより効率的なパッケージを作ることも考えられる。
【００３９】
この構成概念を検証するため、図５および図６に示すとともに上記段落で説明したセル／バッテリの試験を行った。その結果について、図７および図８にまとめるとともに、以下の段落で論じる。これらのグラフはさらに、新たな低背かつ幅広な設計を用いて構成された薄型の可撓性バッテリの性能上の利点を実証している。明確化のため、並列４セル変形の例示的な構成については、図面中には示していないが、図７および図８の実験結果グラフで使用する参照番号４０００によって表される。これらのグラフは、新たな低背かつ幅広な設計の例示的な性能を示しているに過ぎず、新設計セルは、その他様々な性能特性、値等を有し得ることが理解されるべきである。実験データについては、室温で行った実験の結果を一覧にした。また、図８は、比較セルの効率を示している。
【００４０】
図７は、上記段落でセル構成について論じたセルを表す５つの異なる曲線を示している。これらの議論においても、簡単化のため、上記段落で論じたセル番号を使用する。図７は、それぞれが上記セル構成のうちの１つを表す５つの異なる曲線を示している。これらの曲線は、３つの異なる２秒パルスにおける平均セル閉回路電圧（ＣＣＶ）を表しており、各データ点にセル電流を示している。構成変更の目的が大電流および高放電効率であることから、議論においては、これらの特徴を強調する。これらのセル１０００、１１００、２０００、３０００（たとえば、２つのセル２０００の並列化）、および４０００（たとえば、４つのセル２０００の並列化）はそれぞれ、有効面積が２．６６平方インチ、２．６６平方インチ、０．８５平方インチ、１．７５平方インチ、および３．５平方インチであり、入力が約３５ｍＡＨｒｓ、３５ｍＡＨｒｓ、５．５ｍＡＨｒｓ、１１．０ｍＡＨｒｓ、および２２ｍＡＨｒｓである。
【００４１】
新設計セル２０００、３０００、および４０００は、図１（１０００）および図２（１１００）に示す上記標準設計セルと電気的に比較される。図７および図８に示すデータは、予測されるセル性能の向上を確認するものである。図７は、３つの異なるパルス負荷それぞれにおける２秒パルス電流ドレインとしての２セル構成の性能を示している。このデータから、印刷亜鉛アノードを備えた高背かつ狭隘な電極を特徴とする旧構成１１００では、パルス電圧がはるかに低く、電流もはるかに小さくなることが明らかである。亜鉛箔を備えた旧構成１０００は、印刷亜鉛構成の図２のセル１１００よりもはるかに良い結果が得られているが、僅かおよそ１１ｍＡＨｒｓの小型の新設計セル３０００と類似しているに過ぎない。２２ｍＡＨｒｓのセル４０００は、０．７ｍＡ〜２．９ｍＡのすべてのドレインレートでは、容量３５ｍＡＨｒｓの亜鉛箔を備えたはるかに大型のセル１０００および容量３５ｍＡＨｒｓの印刷亜鉛を備えたセル１１００よりも優れた性能を有する。
【００４２】
図８に示すように、これら２つの異なるセル設計を４７０Ω負荷で連続的に放電した結果として、新設計の小型の２２ｍＡＨｒセルは、印刷亜鉛を備えたはるかに大型の旧設計セルおよび亜鉛箔を備えたセル（１０００）の性能を明らかに超えている。０．９０Ｖのカットオフ電圧を用いると、新設計として低背かつ幅広な電極を備えた２２ｍＡＨｒセルの出力は、２７％の放電効率（すなわち、セル出力／カソード入力）でおよそ５．９ｍＡＨｒｓであった。旧設計で構成された入力が３５ｍＡＨｒｓの亜鉛箔セル（１０００）は、容量がおよそ４．２ｍＡＨｒｓで、放電効率は僅かおよそ１２％であった。これは、新設計（４０００）の効率と比較すると、４４％に過ぎない。そして、比較として、印刷アノードを備えるとともに容量が同じくおよそ３５ｍＡＨｒｓである旧セル設計１１００は、僅かおよそ２．１ｍＡＨｒｓで、効率はおよそ６％であり、新設計のセル４０００の効率の約２２％に過ぎない。入力が３５ｍＡＨｒｓの旧設計セル１０００の性能は、入力容量が僅かおよそ１１ｍＡＨｒｓの新設計セル／バッテリ３０００よりも非効率的である。この新設計セル３０００は、出力はおよそ２．１ｍＡＨｒｓと同じであるものの、効率はおよそ１９％であり、印刷亜鉛を備えた大型の旧セル設計１１００より３倍高い。
【００４３】
新たなセル設計２０００、３０００、および４０００を構築するため、以下の構成および製造方法を利用可能である。一例においては通常、連続した可撓性基板ウエブ上に電気化学セル（すなわち、バッテリ）を印刷および／または積層して、ロール状等に形成するようにしてもよい。個々のバッテリは、たとえば一度に１つずつ、ロールから取り外し可能である。たとえば、バッテリをロールから切り出すことができ、および／または、切り離しを容易にするために可撓性基板ロールにミシン目（perforations）を設けることができる。また、バッテリはさらに、たとえばアンテナ、ディスプレイ、および／またはプロセッサ等の１つまたは複数の電気コンポーネントとともに、統合された工程において、製造することも可能である。本出願の複数の相を、記載される全体パッケージにおいて使用することができ、および／または、これらの相を個別にもしくは何らかの組み合わせで使用することができる。
【００４４】
図５および図６のバッテリを参照して、例示的な一構成においては、一対の対向側部２０１Ａおよび２０１Ｂを含む底部の第１の基板２０１上にセルが印刷および組み立てられている。さらなる明確化のため、バッテリは、上部の第２の基板なしで示している。底部基板および／または上部基板としては、複数の積層を含む材料が可能である。この複数の積層は、本明細書に記載の任意の層等、一体化バリア層および／または熱シール層を有する構造層を含み得る。また、複数の積層は、ポリマーフィルムおよび／または熱シール被覆を含む内側層、高水分バリア層、その内側層をその高水分バリア層に接続する第１の接着層、配向ポリエステルを含む外側構造層、および／またはその高水分層をその外側構造層に接続する第２の接着層のうちのいずれかまたはすべてを含み得る。高水分バリア層は、水分に対して非水密（non-hermetically）にバッテリを封止する酸化物被膜水分バリア層を含むことができ、また、金属箔層を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。また、複数の積層は、任意選択として、金属化層を含むことも可能である。
【００４５】
電気化学セルのカソードおよびアノードそれぞれの直下に、集電層を別個に設けることが可能である。各集電層は、乾燥インクまたは硬化インク（たとえば、印刷）によって設けることが可能である。あるいは、積層、接着剤、材料ストリップ等の非印刷プロセスによって設けることも可能である。実際、集電体、アノード、およびカソードはすべて、硬化インクまたは乾燥インクとして設けることが可能である。一般的に、集電層は、アノードおよびカソードとは異なる材料として設けられている。各セルのアノードおよびカソードは、カソード集電体および／またはアノード集電体それぞれの上に印刷可能である。集電体のいずれかまたはすべては、同じ印刷ステーションでは、下側の第１の基板上に直接設けることが可能と考えられる。ただし、集電体のいずれかまたはすべては、任意選択としての中間層上に設けることも可能である。カソード集電層およびアノード集電層は、同一平面内に配設されているのが好ましい。
【００４６】
カソード集電層２０は、第１の基板２０１上の一対の対向側部２０１Ａおよび２０１Ｂ間に設けるとともに、乾燥インクまたは硬化インクで形成可能である。同様に、アノード集電層３０についても、第１の基板２０１上の一対の対向側部２０１Ａおよび２０１Ｂ間に設けるとともに、乾燥インクまたは硬化インクで形成可能である。アノード集電層３０は、アノード層と第１の基板との間に設けられている。一実施形態では、カソード集電層２０およびアノード集電層３０は、同じカーボンインクを用いて、好ましくは同じ工程で印刷する。この工程においては、カソード集電体とアノード集電体との間に、約０．０６０インチの間隙１０が保たれる。種々例では、可撓性バッテリは、底部の第１の基板２０１上に直接的または間接的に製造（すなわち、印刷）可能である。あるいは、（全体または一部を）別個に製造した後、底部の第１の基板２０１に直接的または間接的に取り付けることも可能である。次に、集電体上のシール領域にシーラントを印刷可能である。シーラントは、セルの外周上にも印刷して、ピクチャーフレームパターンを形成可能である。
【００４７】
その後、シール領域の内側にあるアノード集電層３０上にアノード３１を印刷し、シール領域の内側にあるカソード集電層２０上にカソード２１を印刷する。この印刷においても、カソードとアノードとの間に、約０．０６０インチの間隙が保たれる。各単位セルのアノード３１およびカソード２１は、同一平面内に印刷可能である。また、アノードおよびカソードは、硬化インクまたは乾燥インクで構成可能である。少なくとも１つの実施形態では、カソード集電層２０の大面積部分には、二酸化マグネシウム、たとえばカーボン（たとえば、グラファイト）等の導電体、バインダ、および水等の溶媒を含むインクを用いてカソード層２１を印刷する。その他の種々例では、カソードは、二酸化マグネシウム、カーボン、ＮｉＯＯＨ、銀酸化物Ａｇ２Ｏおよび／またはＡｇＯ、ＨｇＯ、エアセルの形態の酸素Ｏ２、およびバナジウム酸化物ＶＯ２のうちの１つまたは複数を含むインクを用いて印刷可能である。アノード層３１は、導電性の亜鉛インクとして印刷可能である。その他の種々例では、アノードは、亜鉛、ニッケル、カドミウム、ＡＢ２型およびＡＢ３型の金属水素化物、鉄、およびＦｅＳ２のうちの１つまたは複数を含むインクを用いて印刷可能である。
【００４８】
印刷がすべて完了した後は、セルを組み立てる。たとえば、電極層（アノード層およびカソード層）を所定の位置に配置した後、電極の周りにシール２Ａ、シール２Ｂ、シール２Ｃ、およびシール２Ｄを配置することが可能である。一例においては、電極の周りに、任意選択としての「ピクチャーフレーム」をスペーサとして配置可能である。一方法としては、たとえば硬化接着インクまたは乾燥接着インク等の誘電性インクを用いて、このセルピクチャーフレームを印刷する。別の方法としては、ポリマーシート、型打ち、ダイ切断、レーザ切断、または類似の方法を用いて適当な「ポケット」（１つまたは複数の内部空間）を形成することにより、セルコンタクト用の材料および切り出し部を収容する。ここで論じる簡略化した構成では、ピクチャーフレームは、中ほどにポリエステルまたはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）等のダイ切断ポリマー積層シートを備えることも可能である。このダイ切断ポリマー積層シートは、剥離ライナを備えた感圧接着剤の２つの外側層（たとえば、上部表面および底部表面）を有する。一般的に、型打ちフレームを使用する場合、各「ピクチャーフレーム」の総厚（ライナの厚さを除く）は、約０．０１０インチ（約０．００３インチ〜０．５０インチ）となる。「ピクチャーフレーム」は、アノードおよびカソードがフレーム内の中心となるように、底部の剥離ライナを除去した後、底部の積層構造上に配置することが可能である。あるいは、ピクチャーフレームは、上述のフレームの形状に設けられた印刷または積層された接着剤で置き換えることも可能である。印刷フレームを使用する場合は、一般的に非常に薄く、その厚さは約０．００２インチ（たとえば、約０．０００５インチ〜０．００５インチ）である。場合によっては、漏れのない構成とするため、アノード集電層上およびカソード集電層上のピクチャーフレームとなる領域に、シールおよび／もしくはコーキング接着剤、感熱シーラント、ならびに／または両面ＰＳＡテープを配置および／または印刷可能である。また、シール接着剤は、ピクチャーフレームの残りの部分の直下にも設けることも可能である。上部のＰＳＡ層は、上部の積層基板をピクチャーフレームに接着および封止する。また、底部のＰＳＡ層を用いることによって、底部の積層基板をピクチャーフレームに接着および封止することが可能である。
【００４９】
任意選択としてのピクチャーフレームを用いる場合は、印刷領域上に配置可能であり、アノードおよびカソードのほか、電極コンタクト４および電極コンタクト６を露出させる。セルの厚さは、ピクチャーフレームスペーサの厚さによって制御される。たとえば、このフレームとしては、厚さ約０．００３インチの２層の外側ＰＳＡと、セル厚に応じた厚さ０．００３インチ〜約０．０１５インチの中央ＰＥＴ層とから成る３層の積層（２つの接着剥離ライナを除く）が可能である。ピクチャーフレームは、アノードおよびカソードを露出させる切り出し部を特徴とすることも可能であり、また、電解質用の空洞を形成することも可能である。また、両方の面に、負極コンタクトおよび正極コンタクトをバッテリに露出させるための切り出し部が存在可能である。
【００５０】
電気化学セルのアノードおよびカソードは、電解質１７を介して相互作用することにより、電流を生成する。電解質は、塩化亜鉛、塩化アンモニア、酢酸亜鉛、臭化亜鉛、ヨウ化亜鉛、酒石酸亜鉛、過塩素酸亜鉛、水酸化カリウム、および水酸化ナトリウムのうちの１つまたは複数を含み得る。液体電解質層は、ポリビニルアルコール、デンプン、加工デンプン、エチルセルロースおよびヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、ポリエチレン酸化物、ならびにポリアクリルアミドのうちの１つまたは複数を含むポリマー増粘剤を含み得る。また、電解質層は、吸収紙セパレータ８をさらに備えることが可能である。本明細書に記載の通り、電解質は、粘性またはゲル状電解質である。電解質がゲル状被膜の一部でない場合は、両電極の全体または一部を覆う「紙セパレータ」８等の吸収材にセル電解質を設ける。電解質としては、重量百分率が約２７％（たとえば、２３％〜４３％）のＺｎＣｌ２水溶液が可能であって、約０．６％レベル（約０．１％〜２％）のカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）またはその他類似の材料等の増粘剤を含むことも可能である。電解質はいずれも、電気化学セル中のガス発生の防止または低減（たとえば、セル中の水素ガス発生の防止または低減）のための添加剤を含み得る。セパレータ８は、アノードおよびカソード上のスペーサ空洞に配置する。その後、ＺｎＣｌ２の２７％水溶液（または、その他の電解質溶液）等の液体電解質１７をセパレータ８に添加する。セパレータに電解質を添加および浸透させた後は、上部基板（たとえば、第２の基板）を追加し、スペーサの上部および底部のＰＳＡ層によって、ピクチャーフレームパターンでスペーサに熱封止する。
【００５１】
上部の第２の基板（図示せず）を第１の底部基板に貼り付けて封止することにより、電解質を含む内部空間を形成し、カソード層およびアノード層の少なくとも主要部を内部空間に含めることによって、セルを完成させる。第１の基板は、ＰＳＡおよび／または熱シールを用いることによって、第２の基板に封止可能である。上部の第２の基板は、底部の第１の基板２０１に接続することによって液体電解質１７を含めることにより、電気化学セルが封止されるようにする。任意選択としてのピクチャーフレームが存在する場合は、その上に上部の第２の基板を封止可能である。また、上部の第２の基板の貼付に先立って、剥離ライナが存在する場合（図示せず）は、任意選択としてのピクチャーフレーム上の接着層から除去する。別の例においては、印刷接着剤を用いることによって、上部基板および底部基板を接続可能である。また、印刷接着剤は、アノード層および／またはカソード層の上まで延びて、少なくともその一部を覆うようにしてもよい。別の例では、上部基板および底部基板は、中間の接着剤またはピクチャーフレームを用いることなく、相互に直接接続することが可能である。また、ピクチャーフレームを利用しない場合は、上部の積層基板を底部の積層基板に接続することによって、液体電解質を含む内部空間を形成することも考えられる。
【００５２】
上部の第２の基板を底部の第１の基板２０１上に封止したら、外側シール領域が形成される。シール領域は、液体電極の各セルからの漏出を阻止、たとえば防止する。シール領域の幅は、バッテリの全体サイズおよび形状に基づいて変更可能である（通常は、セル／バッテリが小さいほど、シール幅を狭くする）。一例では、シール領域の最小幅としては、約０．０７５インチが可能である。最大幅は、種々バッテリに基づいて変更可能であるが、一般的には約０．２５０インチであり、０．３００インチあるいはそれ以上に大きくすることも可能である。また、同じ形状を有するこのバッテリ構成は、市販のポーチ充填機を用いることにより、フレームなしで大量に作製可能である。シール領域は、各セルの外周と実質的に同じであってもよいし、必要に応じて、各セルの外周に沿って異なっていても良いものと考えられる。
【００５３】
バッテリを外部の電子機器に対して電気的に接続するため、電極コンタクトが設けられている。たとえば、カソード集電層２０に対しては、第１の電極コンタクト４が電気的に結合され、第１の基板２０１の一対の対向側部の一方（たとえば、辺２０１Ａ）に沿って配設されている。アノード層３１に対しては、第２の電極コンタクト６が電気的に結合され、第１の基板２０１の一対の対向側部の他方（たとえば、辺２０１Ｂ）に沿って配設されている。第２の電極コンタクト６は、アノード層３１に対して、電気的に直接結合可能である。あるいは、アノード集電層を介して間接的に、電気的に結合可能である（第２の電極コンタクト６がアノード集電層に対して電気的に結合されている場合）。正極コンタクト４および負極コンタクト６は、電気化学セルの外側に露出して、他の電子機器に接続される。正極コンタクト４および負極コンタクト６の一方または両方には、印刷または積層された導電層、例えば印刷された銀インク等が形成されていてもよい。あるいは、電子機器との結合または導電性を促進する（１つまたは複数の）他の層を備えていてもよい。さらに、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方は、貫通して延びる切り出し領域を含むことによって、第１の電極コンタクトおよび第２の電極コンタクトの一方が切り出し領域を介して露出するようにすることも可能と考えられる。たとえば、上部の第２の基板は、一対の切り出し部を含み、各切り出し部が正極コンタクト４および負極コンタクト６の所望の位置上に配置されるようにすることも可能である。
【００５４】
また、セルは、手動で組み立ててもよく、またはポーチ組み立て機によるスペーサを用いない自動プロセスでの組み立ても可能である。たとえば、これは、ポーチ組み立て機から供給される印刷セルロールによって可能であり、第１のステーションでは、セパレータを切断または遮断し、アノードおよびカソード上に配置する。次のステーションでは、所要量の電解質を投入可能である。また、底部基板の積層と同じまたは異なる基板ロールを底部ウエブに敷く。２つの基板を併せて敷いた後、電解質ステーションを起動可能である。この状況では、２つの基板層が互いに封止される前に、電解質が、２つの基板層間に挿入した非常に小径の管を介して投入される。次に、電解質の添加後、電解質管を除去することによって、ピクチャーフレームパターンにセルを熱シールすることが可能である。その後、組み立てたセルをウエブから遮断または切断する。
【００５５】
以下、別の構成および製造方法についてさらに論じる。本明細書においては、別段の明確な指示がない限り、すべての百分率は重量百分率である。また、本明細書では、「５〜２５」（または、「約５〜２５」）等の範囲が与えられている場合、これは、少なくとも１つの実施形態では、少なくとも約５であり、これとは別個かつ独立に、約２５以下であることを意味する。また、別段の指示がない限り、範囲は厳密に解釈すべきものではなく、許容範囲の例として与えている。また、本明細書では、記載値または好適値に続く括弧内の範囲は、本出願の別の実施形態に係る値についてのより広い範囲を指定している。
【００５６】
本出願は、薄型の印刷電気化学セルおよび／または複数のそのセルを備えたバッテリに関する。通常、このようなセルはそれぞれ、第１の電気化学層を含む第１の電極（たとえば、カソード）と、第２の電気化学層を含む第２の電極（たとえば、アノード）と、これら電極と相互作用して電流を生成する電解質とを少なくとも備える。通常、第１の電極、第２の電極、および電解質はすべて、外部への電気的アクセスを電極に提供することによって何らかの装置に電流を供給可能な何らかの構造に含まれている。
【００５７】
このようなセルを大量生産する一方法には、たとえば積層ポリマーフィルム層等の特殊基板上に水性溶媒のインクおよび／または非水溶媒のインク、および／または他の被膜をパターン状に堆積させる工程を含む。この堆積工程は、特に所望量が膨大である場合、たとえば１つまたは複数の高速ウエブ回転スクリーン印刷機上における電気化学インクの印刷および／または亜鉛箔等の金属箔の積層等によって実行可能である。比較的少量の場合すなわち数百万個以下程度に過ぎない量の場合は、フラットベッドスクリーンを用いたウエブ印刷等の比較的低速の方法が妥当となり得る。数百または数千等、さらに少量の場合は、たとえばシート供給フラットベッド印刷機を利用してもよい。ただし依然として、様々な所望量に対して様々な印刷方法を使用可能である。
【００５８】
インクの印刷および／または固形物の適正な配置の後、セルを完成させることが可能である（たとえば、電解質の添加、封止、ダイ切断、スタック、および／または穿孔、ならびにロール巻き、または印刷機上でシートを用いた場合のスタック）。また、このセル製造プロセスを利用することによって、（１）１つもしくは複数の個別セルの実際の電子的用途との統合、（２）直列もしくは並列に接続された複数のセルを含むバッテリへの統合、またはこれら（１）、（２）の何らかの組み合わせが可能となる。以下、このような装置および対応するプロセスの例を説明するが、その他多くの実施形態も考えられる。
【００５９】
上述の通り、バッテリは、印刷され、可撓性があり、薄型であってもよい。このようなセル／バッテリは、たとえば、特殊なポリマー積層を利用可能な下側膜基板を含み得る。このポリマー積層はたとえば、場合により、両面をポリマーフィルムで囲まれた高水分バリア層を中央に備えた特殊機能を有する。さらに、一方または両方の外表面を印刷可能とすることにより、必要に応じて、情報、ロゴ、指示、ＩＤ、通し番号（シリアル番号）、図形（graphics）、またはその他の情報もしくは画像を印刷することもできる。
【００６０】
また、このバッテリが使用される構成に応じて、複数層の基板の１つの層では、バリア被膜に隣接して同時押出可能な熱シール層を特徴とすることも可能である。また、少なくともいくつかの実施形態のセルにおける１つの基板層の一部には、たとえば膜基板の一部に印刷または被膜(coated)あるいは他の方法で適用(applied)されたカーボン等のカソード集電体および／またはアノード集電体を利用することも可能である。また、この集電体の外側コンタクト領域には、必要に応じて、たとえばカーボン、金、銀、ニッケル、亜鉛、または錫等の導電性が比較的高いインクの層を印刷することにより、用途上の接続に対する導電性を向上させることが可能である。
【００６１】
第１の基板および／または第２の基板は、５つの層等の様々な層を含み得る。たとえば、第１の基板の様々な層には、３層の膜と、約０．２ミル厚で約０．１〜０．５ミルの範囲等、比較的薄くすることができる２層のＵＶ硬化ウレタン積層接着剤とを含み得る。一例では、この積層構造は、Ｃｕｒｗｏｏｄ  Ｉｎｃ．、ａ  Ｂｅｍｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｙ  ｏｆ  Ｏｓｈｋｏｓｈ、ＷＩにより供給可能である。上部膜層としては、たとえばＤｕＰｏｎｔ（ＯＬシリーズ）が提供するセルの内側の熱シール可能な層が可能であり、一例として、約０．０００４８インチ（たとえば、約０．０００２インチ〜０．００２インチ）の厚さを有し得る。中間膜層としては、日本の凸版印刷株式会社が供給するＧＬ膜等の高水分バリアポリマー層が可能である。通常、このポリエステル膜は、積層構造の内側に酸化物被膜または金属化被膜を有し得る。この被膜は、真空蒸着酸化物または金属の種類および量に応じて水分透過値を変更可能である。第３の膜層としては、完成セルの外側に配置可能であり、構造層として作用し得るポリエステル層が可能である。この５層構造の構造層としては、配向ポリエステル（ＯＰＥＴ）が可能であって、約０．００２インチ（たとえば、約０．０００５インチ〜０．０１０インチ）の厚さを有し得る。また、たとえば約０．２ミル厚のウレタン接着剤によってその他の層に積層可能である。この「構造層」としては、たとえばＭｅｌｉｎｅｘブランド等、ＤｕＰｏｎｔのポリエステル配向（ＯＰＥＴ）膜が可能である。別の材料としては、日本の東洋紡株式会社のものを使用可能である。これは、ポリエステルベースの合成紙であって、白色微小空洞配向ポリエステル（ＷＭＶＯＰＥＴ）として指定される。場合によっては、たとえば意図的にセルのガス発生率を高く、ライフサイクルを短くしている場合、より高い透過率の膜を用いることによって、より多くのガスを排出可能とすることにより、セルの膨張を最小限に抑えるのが適切で望ましい。別の例としては、砂漠等の高温乾燥環境における用途または何らかの特殊な産業用途が挙げられる。このような場合は、低透過率のバリア膜を有することによって、バッテリからの過剰な水分損失を防止するのが望ましい場合もある。
【００６２】
ポリマー厚のいずれかまたはすべてを増大することによって、より厚い基板を使用すると、いくつかの利点が考えられる。これらの利点としては、以下の一方または両方が挙げられる。すなわち、基板が厚いと温度に対する感度が低くなるため、セルが印刷機上で良好に処理される。また、セルパッケージは、より堅固かつ強固になる。
【００６３】
上記の仕様に加えて、外側層および内側層はいずれも、インクに対する印刷可能な表面、金属化膜、および／または１つもしくは複数の非常に薄い金属箔を水分バリアとして追加することも可能である。これらには、以下の１つまたは複数が含まれ得る。すなわち、金属バリア（薄い金属箔または真空金属化層）を備えた積層構造は高価となる傾向があり、金属層を備えた積層構造は内部短絡の原因となる可能性があり、金属バリアを備えた積層構造は、たとえばＲＦＩＤアンテナの機能等、ある用途の電子機器と干渉する可能性がある。
【００６４】
本明細書に記載の様々な基板は、バリア層（金属または他の材料を含む）の有無に依らず、実に様々なポリマーフィルムで構成可能であり、ポリエステルまたはポリオレフィン等の単層膜または多層膜を利用可能である。ポリエステルは、高温乾燥条件において強度が向上するため、より薄いゲージ膜を使用可能であり、通常は、多段ステーション印刷機での使用に際して容易に伸長しないため、使用に適した材料である。保存期間を非常に長くする必要がある場合および／または環境条件が極端な場合には、多層の積層を変更することによって、たとえばアルミニウムの真空蒸着によって得られる金属化層を酸化物被膜の代わりに含むことも可能である。
【００６５】
あるいは、非常に薄いアルミニウム箔を膜層の構造内あるいは別の位置に積層することによって、コストを低減するとともに、所望の寿命にわたってセルが機能できるようにすることも可能である。
【００６６】
非常に短い寿命が望まれるだけの用途では、セルパッケージは、ポリエステルまたはポリオレフィン等の低コストポリマー基板の膜層を代用することも可能である。様々な基板を結合および／または封止するための感圧接着剤は、積層上の熱シール系により置き換えることができる。たとえば、熱シール被膜等を使用可能であり、そのような材料の一例として、ＤｕＰｏｎｔ製のオーブンでの使用が可能な蓋（Ovenable Lidding）（ＯＬ）膜で、ＯＬ、ＯＬ２、またはＯＬ１３等のＯＬシリーズとして指定されるものがある。
【００６７】
少なくともいくつかの実施形態では、水系インクの電気化学層をカソードとして印刷する。そのようなカソード層としては、たとえば二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、カーボン（たとえば、グラファイト）、ポリマーバインダ、および水が挙げられる。また、これら材料のいずれの有無にも依らず、カソード層のその他構成が可能である。カソード集電層を用いる場合は、そのカソード集電体の少なくとも一部にカソード電気化学層を印刷することになり、カソード電気化学層はまずは基板に印刷あるいは貼付される。ただし依然として、カソード集電体は、カソード層の一部を構成していてもよいし、構成していなくてもよい。
【００６８】
アノードに関しては、基板上またはカーボン等の集電体上に亜鉛インクを印刷することによって、アノード層を貼り付けることも可能である。カーボンを使用する場合は、カソードおよび電気ブリッジに使用するカーボン集電体と同じステーションで印刷することも可能である。あるいは、オフライン工程では、場合により剥離ライナを用いた乾燥膜接着層を、亜鉛箔に貼り付けることが可能である。そして、この亜鉛箔をベース基板に積層可能である。
【００６９】
任意選択として、アノードおよびカソードの一方または両方には、デンプンインクまたは類似の材料を印刷する。デンプンインクは、電解質吸収剤として作用することにより、水性電解質溶液をセルに添加した後に電極を「湿潤」状態に保つことが可能である。また、このデンプンインクは、セル反応に用いられる電解質塩および水を含むことも可能である。アノードおよびカソード上には、印刷デンプンの代わりに紙層を用いることも可能である。少なくとも１つの実施形態では、水性電解質の添加を伴う印刷デンプン層の構成は、たとえば各電極の少なくとも一部（たとえば、実質的にすべて）を効果的に覆う印刷可能な粘性液体（ゲルまたはその他何らかの粘性材料を含み得る）で置き換え可能である。２００３年９月４日に公開された米国特許公開第２００３／０１６５７４４Ａ１号には、このような印刷可能なゲルが記載されており、これを本明細書中に援用する。これら粘性の構成には、たとえば本明細書において論じる電解質の調合および濃度を利用可能である。
【００７０】
任意選択として、いくつかの実施形態では、２つの電極を所定の位置に配置した後、（１つまたは複数の）デンプン層の有無に依らず、任意選択としてのセル「ピクチャーフレーム」を追加可能である。これは、多数の異なる方法で実行可能である。一方法としては、たとえば誘電性インクおよび／または接着剤を用いて、この任意選択としてのセルピクチャーフレームを印刷する。別の方法としては、（ｉ）感圧接着剤、あるいは（ｉｉ）接着層を含む任意選択としてのポリマーシートまたは積層ポリマーシートを利用し、型打ち、ダイ切断、レーザ切断、または類似の方法によって適当な「ポケット」（１つまたは複数の内部空間）を形成することにより、各単位セルの材料を収容するとともに、装置を接続する電気コンタクトを露出させる。可撓性バッテリは、フレームの有無に依らず形成可能と考えられる。たとえば、電気化学セル用の内部空間を設ける一方法は、フレームにより提供可能であるが、第１の基板および第２の基板を併せて固定することによって、フレームを用いなくても電気化学セル用の内部空間を設けられると考えられる。
【００７１】
ピクチャーフレームの基板に対する良好な封止を確保するとともに、コンタクトフィードスルー（セルの内側からセルの外側への電気的経路を提供）の良好な封止を提供するため、コンタクトフィードスルーおよび基板上には、たとえばフレームの印刷またはポリマーシートの挿入に先立って、たとえばセルフレームと同じパターンでシールまたはコーキング接着剤を印刷することも可能である。このシールまたはコーキング材料としては、感圧および／または感熱のものが可能であり、あるいは、両表面に対する封止を容易化するその他任意の種類の材料も可能である。
【００７２】
誘電性のピクチャーフレームを印刷して乾燥および／または硬化させた後は、フレーム上に感熱シール接着剤を印刷することによって、セルフレームに対する上部基板の良好な封止を可能とすることができる。また、このセルピクチャーフレームは、約０．０１５インチ厚（約０．００３インチ〜０．０５０インチの範囲）のポリマーフィルムまたは積層膜を含むことも可能である。これらのポリマーフィルムまたは積層膜は、事前に孔開けした後に位置合わせして積層することで上述の事前印刷コーキング接着層と整合した約０．０１５インチ厚（約０．００３インチ〜０．０５０インチの範囲）のものである。
【００７３】
少なくともいくつかの実施形態においては、電解質として塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）を選定可能であり、その濃度範囲はたとえば約１８重量％〜４５重量％である。一例においては、約２７％が好ましい場合がある。また、電解質は、たとえばオープンセルに添加可能である。ライン上での処理を容易化するため、この電解質または別の電解質は、たとえばＣＭＣによって、約０．６重量％（約０．０５％〜１．０％の範囲）のレベルで濃くすることも可能である。
【００７４】
たとえば、塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ２）と塩化アンモニウム（ＮＨ４Ｃｌ）との混合物、酢酸亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ２Ｏ２））、臭化亜鉛（ＺｎＢｒ２）、フッ化亜鉛（ＺｎＦ２）、酒石酸亜鉛（ＺｎＣ４Ｈ４Ｏ６．Ｈ２Ｏ）、過塩素酸亜鉛（Ｚｎ（ＣｌＯ４）２．６Ｈ２Ｏ）、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、または有機物等、他の有用な電解質構成も使用可能である。
【００７５】
最適な電解質は、塩化亜鉛でありうる。塩化亜鉛は、通常直面する一般的な環境条件において優れた電気的性能を提供する。同様に、とりわけ上述の代替的な電解質であればいずれも、たとえば少なくともいくつかの別の実施形態に用いられる約１８％〜５０％の範囲内で約２５％〜４５％の範囲の濃度（重量百分率）で使用可能である。このような配合では、一般的な環境条件において許容範囲内の性能を提供可能である。酢酸亜鉛を用いて低温用途の低温性能を向上させる場合には、酢酸亜鉛の濃度として、約３１〜３３の範囲が許容範囲となることが多い。ただし、約３０〜３４、約２８〜３６、約２６〜３８、ひいては約２５〜４０重量％の範囲も利用可能である。
【００７６】
塩化亜鉛以外の電解質を使用すると、いくつかの異なる環境条件では、セル／バッテリの電気的性能を向上させることが可能である。たとえば、約３２重量％の酢酸亜鉛（Ｆ．Ｐ．（凝固点）約２８℃）は、約３２重量％の塩化亜鉛（Ｆ．Ｐ．約−２３℃）よりも凝固点が低い。これらの溶液はいずれも、約２７％の塩化亜鉛（Ｆ．Ｐ．約−１８℃）よりも凝固点が低い。たとえば約１８〜４５重量％または約２５〜３５重量％の他の酢酸亜鉛濃度についても、凝固点は低くなっている。あるいは、電解質として、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ性電解質を用いることにより、いくつかの異なる環境条件では、セル／バッテリの電気的性能を向上させることも可能である。ＫＯＨ電解質は、導電性がはるかに高いため、セルの性能を大幅に向上可能である。たとえば、ＫＯＨが良好に機能する範囲は、約２３％〜４５％の範囲内の濃度（重量百分率）である。アルカリ性電解質を使用する場合は、ナイロン、ポリオレフィン等の適切かつ化学的に互換性のある材料を可撓性バッテリの上部基板および／または底部基板に利用するのが有益となり得る。
【００７７】
このような電解質構成を塩化亜鉛の代替として、またはセルに使用する様々な混合物において使用すると、低温での性能向上が可能となる。たとえば、約３２％の酢酸亜鉛電解質を使用すると、ボルタ電池の低温性能（すなわち、約−２０℃未満）が実質的に向上することが分かっている。この種の低温での電気化学セルの性能向上は、たとえば低温環境で使用可能なバッテリ補助ＲＦＩＤタグならびに／またはスマートアクティブラベルおよび温度タグ等の他の一過性（可搬型）の電動装置の成長ビジネスにおいて利用可能である。
【００７８】
たとえば、食料品、医薬品、血液等、今日輸送されている多くの製品は、低温での保管および輸送条件あるいは低温での動作を必要とする場合がある。このような物品の安全な輸送を確保するため、ＲＦＩＤタグ、センサ、および／またはディスプレイによって、これらの品目を追跡可能である。これらのタグおよび／またはラベルは、−２０℃あるいはそれ未満、たとえば約−２３℃、約−２７℃、あるいは約−３０℃以下で有効に動作するように、電気化学セルおよび／またはバッテリを要する場合がある。
【００７９】
セルパッケージの上側基板は、特殊な積層ポリマーフィルムを利用することも可能である。上層は、感圧接着剤（ＰＳＡ）ならびに／または事前に印刷した感熱シール接着剤、もしくは上側基板および下側基板の両者の熱シール層のみによって、セルフレームのエッジ周りで封止することにより、内部コンポーネントをセルフレーム内に制限する。
【００８０】
上述の構成としては、湿潤セル構成が可能である。ただし、類似のセル構成を使用することによって、バッテリを、液体の適用前の保存期間を長くすることができるという利点がある保存セル構成（reserve cell construction）とすることも可能である。。印刷可能な可撓性塩化亜鉛薄型セルは、環境に配慮して作製される。
【００８１】
この技術を使用可能な装置は、広範囲に及ぶ。比較的低い電力を利用する装置または寿命が１〜３年、場合によりそれ以上に限られた装置は、本明細書に記載した種類の薄型セル／バッテリを用いて機能することも可能である。上記段落および以下に説明するセルは、安価に大量生産できる場合が多く、たとえば使い捨ての製品に使用可能である。低コストのため、以前は費用対効果が良くなかったが、現在では商業的に実現可能な用途に適用可能である。
【００８２】
本出願に係る電気化学セル／バッテリでは、以下の利点のうちの１つまたは複数が考えられる。
・フラットで厚さが比較的均一である（エッジが中央よりも薄い）。
・比較的薄い。
・フラットで厚さが比較的均一である（エッジが中央とほぼ同じ厚さ）。
・可撓性がある。
・多くの幾何学的形状が可能である。
・容器が封止されている。
・単純な構成である。
・高速かつ大量生産用に設計されている。
・低コストである。
・様々な温度で性能の信頼性が高い。
・低温性能が良好である。
・使い捨て可能で環境に優しい。
・セルコンタクト／バッテリコンタクトがいずれも、両方の表面あるいは同じ表面に設けられている。
・セルコンタクト／バッテリコンタクトがいずれも、バッテリ外部の様々な位置に設けることが可能である。
・用途への組み立てが容易である。
・電子的用途の作製と同時に連続プロセスへの統合を容易に行える。
【００８３】
以上、本出願のいくつかの実施形態に係る様々なセル構成の概要を説明したが、以下では、図面を参照してさらに詳細を説明する。また、セル製造、印刷、および／または組み立てのためのセルおよびバッテリの生産プロセスについても説明する。
【００８４】
一例では、比較的高速かつ高出力の製造を考える場合は、たとえば５０リニアフィート／分等の比較的高い速度について考える場合には、複数のウエブを使用可能である。複数のウエブは、概して連続させることが可能であり、既知のウエブ製造機器で利用可能であることが理解されるべきである。第１のウエブは、０．００１インチ以下〜０．０１０インチ、好ましくは約０．００２〜０．００６インチと比較的薄くすることが可能であり、可撓性ベース基板は、多層の積層構造または単層の材料を含む。一例では、多層構造は、５つの層を含み得る。あるいは、単層材料は、カプトン、ポリオレフィン、またはポリエステル等の様々な材料を含み得る。また、０．００１インチの層が薄過ぎで、印刷機および／または他の工程において効率的に取り扱うことができない場合は、この薄い基板層に、低タクトの感圧接着層を備えたより厚い使い捨て支持層を積層することも可能である。また、この０．００１インチの基板層は、内側表面上で水バリアとして作用する非常に薄い酸化物層を備えた２層以上から作製することも可能である。使い捨て支持層は、印刷工程および組み立て工程が完了した後に除去することも可能である。
【００８５】
第２のウエブとしては、約０．００３〜０．０３０インチ厚、好ましくは約０．００６〜０．０１５インチ厚のＰＶＣまたはポリエステル膜を含む比較的厚い積層構造も可能である。この第２のウエブは、一方または両方の面上に、約１〜５ミル厚の感圧接着剤の層（剥離ライナなし）を有し得る。この第２のウエブの積層構造は、完成後に第１のウエブに貼り付けることが可能である。その追加または代替として、第２のウエブを、任意の種類の機械的手段を用いてパターン切断することにより、セル活物質用の空洞およびセルコンタクト／バッテリコンタクト用の任意選択としての空洞を用意することが可能である。第３のウエブとしては、第１のウエブと同一および／または類似の比較的薄い積層構造が可能である。完成した３つのウエブ構造は、一方の面に感圧接着剤を有することによって、個々の装置アセンブリをラベルとして適用できるようにしてもよい。セル／バッテリは、同時係属出願である２００５年４月２０日に出願された米国出願第１１／１１０，２０２号、２００６年４月２４日に出願された米国出願第１１／３７９，８１６号、２０１０年６月２１日に出願された米国出願第１２／８０９，８４４号、２０１１年３月３０日に出願された米国出願第１３／０７５，６２０号、２０１２年９月２４日に出願された米国出願第１３／６２５，３６６号、および２０１３年５月２１日に出願された米国出願第１３／８９９，２９１号、ならびに発行済みの米国特許第８，０２９，９２７号、第８，２６８，４７５号、第８，４４１，４１１号、および第８，５７４，７４５号等に記載されている種類の薄いセルであってもよく、これらすべてを本明細書中に援用する。
【００８６】
セルの構成、セルの用途、および／またはセルの環境に応じて、基板のバリア特性を変更すると都合が良い。利用可能な透湿率の範囲が広いことから、必要に応じて、特定の用途および構成ごとにバリア層を選定可能である。場合によっては、たとえば意図的に、セルが高いガス発生率および／または短い寿命を有するようにしている場合、より高い透過率の膜を用いることによって、より多くのガスを排出可能とすることにより、セルの膨張を最小限に抑えるのが適切で望ましい。バリア層は、水の損失を最小限に抑えつつ、通常の電気化学反応で発生したガスを排出して薄いセルが膨張する可能性を低くできるように設計されている。別の例として、保存期間が長い用途または砂漠等の高温乾燥環境における用途が挙げられる。このような場合は、低透過率のバリア膜を有することによって、セルからの過剰な水分の損失を防止するのが望ましい場合もある。第１の基板層および第２の基板層の少なくとも一方は、その第１の基板層または第２の基板層の複数の積層を通してガスを排出可能である一方、水蒸気の消散を抑制（たとえば、最小化）するガス透過率を有する酸化物バリア層を含むその複数の積層を備えることが可能である。その追加または代替として、酸化物被膜水分バリア層は、被覆層の複数の積層を通して水蒸気を外部環境に排出可能な水蒸気透過率を有することができ、金属箔層を備えていなくてもよい。酸化物バリア層は、所望のガス透過率および／または水蒸気透過率を与えるように設計可能であることから、ガスおよび／または水分に対して非気密（非水密）にバッテリを封止することが理解される。
【００８７】
積層膜基板は、例示的な構成の種々実施形態を利用可能である。下側積層膜層および上側積層膜層は、ほとんどの場合およびほとんどの用途に対して、同じ材料が可能である。少なくとも１つの実施形態では、これらの膜層は、たとえば５層の積層膜で構成可能である。別の例では、積層膜基板は、４つの層を有し得る。セルの内側に配置された上部層は、一例として約０．４８ミル（約０．２〜５．０ミル）の厚さを有し、以下のバリア特性を有する熱シール可能な可撓性ウエブを提供する高水分バリアポリマー層である。
・約３０℃および７０％の相対湿度における２４時間当たりの酸素透過率が１００平方インチ当たり約０．０４５ｃｍ３未満である。
・約４０℃および９０％の相対湿度における２４時間当たりのＭＶＴＲが１００平方インチ当たり水約０．００６〜０．３００ｇである。
【００８８】
通常、このポリエステル膜は、積層構造の内側に酸化物被膜または金属化被膜を有する。これらポリマー（ポリエステル）ベースのバリア膜は、真空蒸着酸化物または金属の種類および量に応じて水分透過値を変更可能であり、底部のポリエステル層に積層可能であって、ウレタン接着剤とともに構造層として作用する。これら基板の内側層は、熱シール層を含み得る。別の高水分バリアとしては、以下のバリア特性を有する熱シール可能な可撓性ウエブも可能である。
・約７３°Ｆおよび５０％の相対湿度における２４時間当たりの酸素透過率が１００平方インチ当たり約０．０４５ｃｍ３未満である。
・約１００°Ｆおよび９０％の相対湿度における２４時間当たりのＭＶＴＲが１００平方インチ当たり水約０．３０ｇ未満である。
【００８９】
別の例では、多層構造の外側層（または構造層）は、たとえば約０．１ミル厚のウレタン接着剤によって他の層に積層された約２．０ミル（約０．５〜１０．０ミル）の配向ポリエステル（ＯＰＥＴ）の層を含み得る。この「構造層」としては、ポリエステル配向（ＯＰＥＴ）膜または白色微小空洞配向ポリエステル（ＷＭＶＯＰＥＴ）として指定されるポリエステルベースの合成紙が可能である。
【００９０】
ポリマー厚のいずれかまたはすべてを増大することによって、より厚い基板を使用すると、いくつかの利点が考えられる。これらの利点としては、以下の一方または両方が挙げられる。すなわち、基板が厚いと温度に対する感度が低くなるため、セルが印刷機上で良好に処理される。また、セルパッケージは、より堅固かつ強固になる。
【００９１】
上記の仕様に加えて、外側層および内側層の一方または両方は、必要とされるインクに対する印刷可能な表面を追加することも可能である。内側層は機能性インク用（集電体および／または電気化学層）に使用する一方、外側層は、必要に応じてグラフィックインク用に使用可能である。封止系を有するフラットセル構成では、金属化膜ならびに／または１つもしくは複数の非常に薄い金属箔を水分バリアとして備える積層構造を利用する場合がある。金属層を用いるこのような構造は、上述の実施形態のうちのいくつかに使用する構成よりも水分バリア特性が優れている場合があるとは言え、欠点もいくつか存在する場合がある。これらには、以下の１つまたは複数が含まれ得る。すなわち、金属バリア（薄い金属箔または真空金属化層）を備えた積層構造は高価となる傾向があり、金属層を備えた積層構造は内部短絡の原因となる可能性がある。また、金属バリアを備えた積層構造は、たとえばＲＦＩＤアンテナの機能等、ある用途の電子機器と干渉する可能性がある。
【００９２】
膜基板は、バリア層（金属または他の材料を含む）の有無に依らず、実に様々なポリマーフィルムで構成可能であり、ポリエステルまたはポリオレフィン等の単層膜または多層膜を利用可能である。ポリエステルは、強度が高いためより薄いゲージ膜を使用可能であり、通常は、多段ステーション印刷機での使用に際して容易に伸長しないため、使用に適した材料である。膜層または積層構成中の層のうちの１つまたは複数としては、ビニル、セロファン、あるいは紙も使用可能である。保存期間を非常に長くする必要がある場合および／または環境条件が極端な場合には、多層の積層ポリマーを変更することによって、たとえばアルミニウムの真空蒸着によって得られる金属化層を酸化物被膜の代わりに含むことも可能である。
【００９３】
あるいは、非常に薄いアルミニウム箔を層としてなど膜層の構造内に、あるいは別の位置に積層することも可能である。このような変更により、すでに低い水分損失を低減して、実質的にゼロにすることも可能である。一方、保存期間および／または動作寿命が比較的短い用途の場合は、コストを低減するとともに、必要とされる寿命の間、セルが機能できるようにする低効率の層によって高価なバリア層を置き換えることも可能である。
【００９４】
非常に短い寿命しか必要とされない用途では、セルパッケージは、ポリエステルまたはポリオレフィン等の低コストポリマー基板の膜層を代用することも可能である。フレームを上部基板および下側基板に接着するための感圧接着剤シール系は、積層上の熱シール系により置き換えることができる。
【００９５】
上側積層基板および／または下側積層基板の簡略化した構成では、積層バリア層は、たとえばウレタン接着層とともに積層可能である。あるいは、基板には、バリア層上のバリア被膜である別の層を設けることも可能である。また、複数の層は、ウレタン接着層とともに積層することも可能である。
【００９６】
あるいは、セルの基板には、例示的な７層の積層基板を使用することも可能である。熱シール層は、接着層を用いて上記構造に積層可能である。およそ５０ゲージの熱シール層としては、ポリエステルなどのポリマーフィルム上に、非晶質ポリエステル（ＡＰＥＴまたはＰＥＴＧ）、半結晶ポリエステル（ＣＰＥＴ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、またはポリオレフィンポリマー等の熱シール被膜を含む複合層が可能である。これにより、上述のセルの上部基板および／または底部基板は、７層構成となる。様々な層の厚さにより、これらの構造のいずれか（それぞれ、３層、４層、および７層の積層）は、これら積層の総厚としては、少なくともいくつかの実施形態では、約０．００３インチで約０．００１〜０．０１５インチの範囲も可能である。あるいは、異なる基板構成も利用可能であり、所望の用途および品質に応じて層の数を増減可能である。
【００９７】
本明細書に記載の様々な導電性インクは、カーボン、銀、金、ニッケル、銀で被膜した銅、銅、塩化銀、亜鉛、および／またはこれらの混合物等、様々な種類の導電性材料に基づくことも可能である。たとえば、導電性および可撓性に関して有用な特性を示すこのような材料としては、銀インクがある。さらに、印刷回路の一部となり得る様々な回路、電気的経路、アンテナ等は、ポリエステル基板等のポリマー上に積層されたアルミニウム、銅、または同様の種類の金属箔をエッチングすることによって作製可能である。これは、エッチングまたは印刷のいずれに関わらず、様々な種類（サイズおよび周波数）の経路および／またはアンテナにより実行可能である。
【００９８】
薄型の印刷可撓性電気化学セルは、印刷カソード集電体（たとえば、高導電性のカーボン製カソード集電体）上に積層された印刷カソードを備える。この印刷カソードに隣接して、印刷または箔ストリップのアノードが配置される。同時係属出願である２００５年４月２０日に出願された米国出願第１１／１１０，２０２号、２００６年４月２４日に出願された米国出願第１１／３７９，８１６号、２０１０年６月２１日に出願された米国出願第１２／８０９，８４４号、２０１１年３月３０日に出願された米国出願第１３／０７５，６２０号、２０１２年９月２４日に出願された米国出願第１３／６２５，３６６号、および２０１３年５月２１日に出願された米国出願第１３／８９９，２９１号、ならびに発行済みの米国特許第８，０２９，９２７号、第８，２６８，４７５号、第８，４４１，４１１号、および第８，５７４，７４５号には、この種の電気化学セル／バッテリが記載されており、それらの開示内容を本明細書中に援用する。また、電気化学セル／バッテリは、アノードおよびカソードの全部または一部を覆うセパレータに投入される粘性またはゲル状の電解質を含むことも可能である。また、上部積層は次いでピクチャーフレーム上に封止されうる。この種の電気化学セルは、印刷（たとえば、印刷機の使用）によって容易に作製されるように設計されており、たとえば、セル／バッテリを電子的用途と直接統合可能である。
【００９９】
図５〜図８に示すように、電流を生成する可撓性バッテリ２０００および３０００は、様々な詳細図で図示される。明確には記載していないが、可撓性バッテリは、本明細書に記載のバッテリ構造または方法のいずれかを含み得る。１つまたは複数のセルを含む可撓性バッテリは、単一の基板の単一の面上に印刷されている（明確化のため、上部基板は図示していない）。バッテリの様々な部分は、基板の両面に印刷可能であるものの、基板の単一の面上にバッテリを印刷することによって費用対効果がより高くなり得ることが理解される。また、バッテリは、要素ごとに印刷プロセスを用いることによって形成可能であるが、積層、接着剤、材料ストリップ等、要素の一部または全部を非印刷プロセスにより設けることも可能である。
【０１００】
バッテリは、薄型の印刷可撓性電気化学セルを備え、そのセルは、印刷カソードを含む任意選択としての封止「ピクチャーフレーム」構造を含んでいてもよい。印刷カソードは、印刷カソード集電体（たとえば、高導電性のカーボン製カソード集電体）上に積層される。印刷カソードに隣接して、印刷または箔ストリップのアノードが配置される。。また、電気化学セル／バッテリは、アノードおよびカソードの全部または一部を覆うセパレータに投入される粘性またはゲル状の電解質を含む。また、上部積層は次いでピクチャーフレーム上に封止されうる。この種の電気化学セルは、印刷（たとえば、印刷機の使用）によって容易に作製されるように設計されており、たとえば、セル／バッテリを電子的用途と直接統合可能である。
【０１０１】
他の様々な基板をスペーサフレームとして利用可能である。たとえば、第３の基板は様々な材料で構成可能であり、例えば約０．０００５インチ〜０．０３０インチ厚、好ましくは約０．００５インチ〜０．０１５インチのＰＶＣまたはＰＥＴ膜で構成可能である。これらのＰＶＣまたはＰＥＴ膜は、剥離ライナを備えた約０．００３インチ厚（０．００１インチ〜０．００５インチ）の感圧接着剤（ＰＳＡ）の２層間に挟まれる（すなわち、介装される）。また、スペーサは、硬化誘電体またはその他何らかの硬化法および／もしくは乾燥法によって印刷することも可能である。Ａｃｈｅｓｏｎ  ＣｏｌｌｏｉｄのＰＭ０３０等であるこの材料は、感圧接着剤とすることも可能であり、場合によっては、余分な接着剤の層を印刷する必要がなくなる。
【０１０２】
セル／バッテリの製造プロセスのさらなる効率化および／またはスケールメリットの拡大のため、セル／バッテリは、概して連続したウエブを用い、オープンリール式印刷プロセスにおいて製造することにより、高速かつ低コストの生産を行うことが可能である。例示的な製造手順を以下の段落に記載する。この例示的な手順においては、ロール・ツー・ロール設定を動作させる高速印刷機と互換性のある多数のステーションをセル／バッテリが通過する。本明細書においては詳述していないが、この処理および組み立ては、可撓性バッテリの製造、またはそのバッテリが給電する電気コンポーネント等の要素の製造と統合することも可能である。
【０１０３】
利用可能な印刷機によれば、セルは、たとえば所与の印刷機上で１回の通過または複数回の通過により作製することも可能である。一例としては、ウエブ上での個々のセルを２列とする。ただし、列数は、印刷機で処理可能な、単位セルのサイズおよびウエブの最大幅のみに限定される。また、工程数が非常に多いことから、長くて複雑な印刷機を利用することもありうるため、これら工程の一部および材料の一部の変更ならびに／または１つもしくは複数の印刷機の複数回の通過も可能である。さらに、印刷工程のいずれかまたはすべては、フラットベッドスクリーンあるいは回転スクリーンステーション等のスクリーン印刷により実行可能である。また、当業者であれば、６つ以上のステーションを備えた１つの印刷機は、入手および／または動作が困難であるため、以下では、１つまたは複数の印刷機あるいは１つの印刷機の複数回の通過としてプロセスを論じることも可能であることが理解されよう。
【０１０４】
製造中は、任意選択としての様々な工程を行ってもよいし、行わなくてもよい。たとえば、任意選択としての工程には、ウエブの熱安定化およびグラフィックの印刷（ウエブの外表面上へのロゴ、コンタクトの極性、印刷コード、および登録マークの追加を含み得る）の一方または両方を含み得る。これら任意選択としての印刷工程をウエブに行う場合は、ウエブをひっくり返して、内側表面（すなわち、熱シール層）に機能性インクを印刷可能である。
【０１０５】
当業者であれば、使用可能な方法、材料、および工程順序が多数存在し、それらよりも多いか、または少なく、同様または異なる数のステーションを利用することも可能であることが理解されよう。同時係属出願である２００５年４月２０日に出願された米国出願第１１／１１０，２０２号、２００６年４月２４日に出願された米国出願第１１／３７９，８１６号、２０１０年６月２１日に出願された米国出願第１２／８０９，８４４号、２０１１年３月３０日に出願された米国出願第１３／０７５，６２０号、２０１２年９月２４日に出願された米国出願第１３／６２５，３６６号、および２０１３年５月２１日に出願された米国出願第１３／８９９，２９１号、ならびに発行済みの米国特許第８，０２９，９２７号、第８，２６８，４７５号、第８，４４１，４１１号、および第８，５７４，７４５号には、フラットセルおよびバッテリの様々な設計および製造方法が記載されており、これらすべてを本明細書中に援用する。
【０１０６】
一般的に、本明細書に記載の電気化学セルはそれぞれ、約１．５Ｖを提供可能である。ただし、より高い電圧および／または高容量が必要な場合は、多くの電気化学セルを電気的に結合することが可能である。たとえば、２つの１．５Ｖ単位セルを直列に接続することによって、３Ｖのバッテリが得られる。ただし、電圧が異なる単位セルの使用ならびに／または異なる数のセルの直列および／もしくは並列での組み合わせによって、他の電圧および／または電流を得ることが可能である。また、様々な電気化学系をカスタマイズすることによって、様々なバッテリ構成を得ることも可能である。様々なセルを用いてより高い電圧を得る場合は、各バッテリのすべてのセルを同じ電気化学系とするのが好ましい。このように、より高い電圧を使用する用途では、単位セルを直列に接続可能である一方、より大きな電流および／または容量が必要な用途では、単位セルを並列に接続可能である。また、両者を使用する用途では、直列に接続され、さらに並列に接続された様々なセル群を利用可能である。このように、各種単位セルおよび／またはバッテリ構成を用いることによって、様々な電圧および電流を使用する各種用途に対応可能である。
【０１０７】
また、本明細書に記載の新規なセルは、概して非直線的な形状を有することができ、理論抵抗は、集電体高さを集電体領域の最も狭い幅で除算することによって同様に決定可能であることが理解される。ただし、概して非直線的な形状を使用する場合、高さおよび幅はそれぞれ、有効高さおよび有効幅によって決定可能である。たとえば、有効高さまたは幅としては、平均高さまたは平均幅、あるいは概して直線的な形状の高さおよび幅の測定値として近似可能な数学的に調整した高さおよび幅が可能である。
【０１０８】
薄型の印刷可撓性バッテリには、多くの潜在的な用途が可能であり、例として、以下に示す一般的なカテゴリのうちの１つまたは複数を含み得る。
・ＲＦＩＤアセンブリ；
・広告および販促；
・玩具，ノベルティ，書籍，グリーティングカード，およびゲーム；
・（スマートＲＦＩＤタグ）等の在庫追跡および管理；
・セキュリティタグ；
・温度、湿度等の状態指標；
・薬物送達、創傷治癒、疼痛管理、および／または美容のための電気泳動等の電気的機能を適用する皮膚パッチ；
・スマートおむつ，失禁用製品，健康データ（体温等）の記録ならびに無線送信および／もしくは無線受信を行う電子機器等の健康管理用品。
【０１０９】
以上、上述の例示的な実施形態を参照して、本発明を説明した。本明細書を読んで理解すれば、改良および変更が想到されるであろう。本発明の１つまたは複数の態様を包含する例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲に含まれることを条件として、このようなすべての改良および変更を含むことを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2015535651.tif 000012
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