(57)【要約】電子装置と樹脂カード内の電子装置に電気的にエネルギーを与えるための電池とを備えたＩＣカード。該電池は、リチウムを含むカソード、炭素アノードおよび多孔性ポリマーセパレータを有し電解液が注入されたモノリシックの電気化学セルから構成される。該セルの厚さは０．７ｍｍ以下である。少なくとも１つの金属ホイル層と接着性を有するポリマー材とから構成される可撓性のある積層材シートで形成されたセルを備えたパッケージ。電池全体の厚さは０．８ｍｍ以下である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＣカードであって、
電子装置と、
前記カード内の前記電子装置に電気的にエネルギーを与えるための電池と、
を備え、
前記電池は、リチウムを含むカソード、炭素アノードおよび多孔性ポリマーセパレータを有し電解質溶液が注入された厚さが０．７ｍｍ以下のモノリシックの電気化学セルまたはセル群と、前記セルを含むパッケージとから構成され、
前記パッケージは少なくとも１つの金属ホイル層と接着性のポリマー材の層とを有する可撓性のある積層材シートで形成され、前記電池の全体の厚さが０．８ｍｍ以下であることを特徴とするＩＣカード。
【請求項２】
前記電池が一次電池であることを特徴とする、請求項１記載のＩＣカード。
【請求項３】
前記電池が二次電池であることを特徴とする、請求項１記載のＩＣカード。
【請求項４】
前記カード内に前記電池を充電するための充電手段が備えられていることを特徴とする、請求項３記載のＩＣカード。
【請求項５】
前記充電手段が、遠隔装置により前記電池を誘導充電するため前記カード内に組み込まれたアンテナフィラメントを備えることを特徴とする、請求項４記載のＩＣカード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する分野
本発明は、一般的にはＩＣ（集積回路）情報カード、特にその一部分に電源を有するＩＣカードに関する。
発明の背景
「インテリジェント」または「スマート」カードは、一般的には情報を記憶し、取り出し、処理し、および発信するための集積回路（ＩＣ）を備えた情報カードを指す。これらのスマートカードまたはＩＣカードは、金融、商業、運輸、通信、安全衛生および身分証明と保安の領域で有利に応用されている。
【０００２】
カード中の電気回路に電源を設けるために、電池をそのようなカードに組み込むことが知られている。ＩＣカードに電池を組み込むことは、データのより多量の記憶とさらに改善された処理を可能にする。よく分かることだが、ＩＣカードの中の利用できるスペースは限られており、非常に薄型の電源が必要とされる。電池をＩＣカードに組み込むことが知られている一方、ＩＣカードを実際に典型的なクレジットカードの厚みに納め、膨大な量のデータの記憶、取り出しに要するエネルギー需要を満たすことは困難であった。電子装置の諸機能をＩＣカードに付け加えれば加える程、カードの中の電源に割り当てられるスペースが小さくなる。今日の技術とＩＣカードの中により多くの機能を備える要望とから、（従来のクレジットカードの大きさの）ＩＣカード内の電池に許容される面積はおよそ２５×３５ｍｍ以下になる傾向にあると考えられている。その上、電池の厚さは、従来の通常約０．８ｍｍのクレジットカードに組み込むためには１ｍｍ以下でなければならない。このような制約を受けて、従来の円筒型またはボタン型の缶型電池でなお所要のエネルギーと動力を供給することがますます困難になっている。さらに、電子的な能力がますますＩＣカードに加えられるにつれて、エネルギー需要が増加する。電力消費率が高くなればなるほど、小さい電池よりもむしろより大きく、より強力な電池が要求される傾向にある。
【０００３】
クレジットカードの大きさの制約内で要求されるエネルギーを供給することの困難さの故に、最もエネルギー密度が高く実用的な電池化学反応を使用することが望ましい。このことは、二次（充電可能な）電池にとって特に重要である。何故ならば、商業的に使われる二次電池の化学的特性は、一般に、商業的に使われる一次電池（充電不可能な）の化学的特性よりもエネルギー含有量が低いためである。例えば、リチウムイオン化学は商業的に利用できる二次システムの中では最も高いエネルギー密度を有するが、それでもなおリチウム金属をベースとする最もエネルギー密度が高い一次電池化学よりもエネルギー含有量はかなり低い。現在使われている材料よりも高いエネルギー含有量を有する二次電極材が知られているが、その安全性特に熱安定性についての懸念のために実用化されてはいない。
【０００４】
本発明は、この問題を克服し極めて薄型で可撓性のある電池パッケージを有する二次電池をその一部として備えたＩＣカードを提供する。
発明の要旨
本発明は、電子装置と、カード内で前記電子装置に電気的にエネルギーを与えるための電池とから構成されるＩＣカードを提供する。電池は、リチウムを含むアノード、炭素を含むカソードおよび多孔性ポリマーセパレータに電解質溶液が注入されたモノリシックの電気化学セルから構成される。セルの厚さは０．７ｍｍ以下である。パッケージは前記セルを含む。パッケージは、少なくとも１つの金属ホイル層と接着剤状のポリマー材とを有し、可撓性のある積層材シートから構成される。電池の全体の厚さは０．８ｍｍ以下である。
【０００５】
本発明の目的は、その一部として電源を有するＩＣカードを提供することである。
本発明の別の目的は、電源が一次電池でもよくまた二次電池でもよい上記のようなＩＣカードを提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、ＩＣカードが従来のクレジットカードより著しくは厚くない上記のようなＩＣカードを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、電源が積層カード構造の一部分をなす上記のようなＩＣカードを提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、リチウムイオンポリマー電池技術を用いる上記のようなＩＣカードを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、カソード材が主にリチウムニッケル酸化物であるリチウムイオンポリマー電池技術を用いる上記のようなＩＣカードを提供することである。
【０００８】
これらおよびその他の目的は、添付の図面とともに考察される以下の本発明の好適な実施例の説明から明らかになるであろう。
好適な実施例の詳細な説明
本発明を限定することではなく、本発明の好適な実施例を説明することのみを目的として提示されている図面を参照して、図１は、本発明の好適な実施例を表すＩＣカード１０を示している。図示された実施例において、ＩＣカード１０は、電池２０を備え、それからリード２２、２４が延出している。リード２２、２４は、電子装置１２に接続されている。電子装置１２の内部およびそれ自体は、本発明の構成部分ではなく、ＩＣカードに装着されてもよい種々の電子装置をただ概略的に表すために開示しているだけである。そのような電子装置類は、一例としてそれらに限定はしないが、超小型演算装置、記憶素子、液晶表示装置、キーボードとスイッチ類、送信機または他の電子回路を含んでもよい。これらの装置類は、電池２０により電力を供給されるために本発明から逸脱することなく、ＩＣカード１０に組み込まれていてもよい。本発明は、主にＩＣカードとその中で用いられる薄型の電池２０に向けられている。従って、具体的な電子装置が示されない一方、電気的エネルギーを必要とするどのような電子装置も本発明から逸脱することなくＩＣカード１０の中に使われてよいことは明らかである。
【０００９】
図３Ａ−３Ｃに、電池２０の幾つかの実施例が示されている。本発明によれば、電池２０は、可撓性のある積層材３６から形成されたパッケージ３４に格納されている固体の電解質のセル３２である。セル３２は、リチウムを基にした電気化学セルであることが好ましい。セル３２は、一次（充電不可能な）電池であっても、二次（充電可能な）電池であってもよいが、電池の耐用年限中に一次電池について可能であるよりもより大きい全エネルギー消費量を得るためには、二次電池であることが望ましい。この点で、セル３２を充電できるということは、ＩＣカード１０の耐用年限中に、一次電池について可能であるよりもより高いエネルギー消費率を可能にしている。換言すれば、カードの耐用年限中のより大きい全エネルギーの供給は、より高い平均電力消費を可能にしている。代わりに、あるいはその上、二次電池はより大きい電力消費又はより頻繁な使用と、電池のより長い耐用年限を可能にしている。
【００１０】
図３Ａは、セル３２の好ましい実施例を示す。図３Ａにおいて、セル３２は、２つのカソード部４２と１つのアノード部５２とから構成される。各カソード部４２は、カソードフィルムの２つの層４４から構成される。フィルムを形成するカソード層４４は、高純度の二酸化マンガン（ＭｎＯ２）材料から構成されることが好ましい。金属ホイルまたはスクリーンまたはメッシュまたは同等物で形成された集電体４６が、各カソード層４４の間に設けられている。各集電体４６は、電池２０の正極リードを規定するためにまとめられた外側に延出するタブあるいはストリップ４８を備えている。アノード部５２は、間に集電体５６が配置されたアノードフィルムの２つの層５４から構成される。フィルムを形成するアノード層５４は、リチウムを含む材料から構成されることが好ましい。集電体５６は、電池２０の負極リードを規定する外側に延出するタブあるいはストリップ５８を備えている。アノード部５２と各カソード部４２との間には、セパレータフィルム６２の２つの層が配置されている。セパレータフィルム層６２は、ポリマーマトリクスにおける高伝導性の電解質から形成されることが好ましい。
【００１１】
図３Ａに示された実施例では、各カソード層４４の厚さは、約５０μｍ〜３００μｍであり、特に１００μｍ〜２００μｍであることが好ましい。各セパレータ層６２の厚さは、約１０μｍ〜７５μｍであり、特に１５〜３５μｍであることが好ましい。各アノード層５４の厚さは、約５０μｍ〜３００μｍであり、特に１００μｍ〜２００μｍであることが好ましい。集電体４６、５６は、金属ホイルで構成され、厚さが約５μｍ〜約３５μｍであることが好ましい。セル３２の全体の厚さは、８００μｍ以下であり、特に５００μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
図３Ｂに、セル３２’の別の実施例を示す。図３Ｂにおいて、セル３２’は、カソード部７２、セパレータ層７４及びアノード部７６から構成される。カソード部７２は、２つのカソードフィルム層８２とその間に埋め込まれた集電体８４とから構成される。集電体８４は、セル３２’の正極リードを規定する外側に延出するタブ８６を備えている。アノード部７６は、間に集電体９４が配置された２つのアノードフィルム層９２から構成される。集電体９４は、電池２０の負極リードを規定する外側に延出するタブ９６を備えている。図３Ｃは、３２’’で表される別のセルを示す。セル３２’’は、カソード層１０２、セパレータ層１０４及びアノード層１０６を備えている点ではセル３２’と同様である。しかしながら、セル３２’’には、外側に延出するタブ１１４を備えた集電体１１２が電池２０の正極リードを規定するためにカソード１０２の外側面に設けられている。
【００１３】
外側に延出するタブ１１８を有する集電体１１６が、電池２０の負極リードを規定するためにアノード１０６の外側面に配置されている。
本発明の１つの態様による外部のパッケージ３４において、セル３２またはセル３２’または３２’’を収納するパッケージ３４は、可撓性のある積層材３６のシートから構成されている。概して、可撓性のある積層材は多層であり、金属ホイルからなる少なくとも１つの層と、熱可塑性の接着性かつ封止性の材料からなる少なくとも１つの層とを備えていることが好ましい。金属ホイル層は、セル３２の周囲に密封シールを形成するための防壁として設けられている。熱可塑性の接着性かつ封止性の材料は、接着層として設けられており、加熱され、その後冷却されると接着層自体または金属層の上に固着するので、密封シールがセル３２の周囲に形成される。積層板の厚さは、電池２０の全体の大きさを最小にするためにできるだけ薄くとどめることが好ましい。
【００１４】
図示された実施例において、パッケージ３４は平らな電解質のセル３２を可撓性のある積層からなるシートの片方の面上に置くことにより構成される。（可撓性のあるパッケージの構成は、セル３２について記載されている。可撓性のあるパッケージを構成するためのそのような処理が、セル３２’とセル３２’’についても同様に適用されることは明らかである）。セル３２は、積層板の接着性かつ封止性の層に接して置かれ、セル３２から延出するリード２２、２４を形成する集電体のタブの部分が積層板の上に置かれる。そして、その一部が積層板の端部を超えて延出するように配置される。可撓性のある積層シート３６の他の半分は、電池２０の上に折り重ねられてシートの他の側面に被せられる。ポリマーの接着性かつ封止性の層は、可撓性のある積層の内側層であるので、可撓性のある積層がセル３２を超えて延出する３つの周辺端部に沿って接触している。この場合、積層シートの大きさは、それが折り畳まれたときにセル３２の３つの周辺端部を超えて延出するようにされている。熱と圧力が３つの延出する周辺端部に加えられて、ポリマーの接着性かつ封止性の材料を軟化させる。そして、それ自体を接着結合させてセル３２の周囲にほぼＵ字型のフランジ３８を形成する。
【００１５】
図３と図４からよくわかるように、フランジ３８はセル３２の側面からセル３２と同じ面内で横方向に延出している。積層のポリマーの接着性かつ封止性の材料は、このようにして電池の周囲にシールを形成し、それにより金属ホイルとともに、セル３２を格納し密封するパッケージを提供する。本発明によれば、電池の大きさは長さ、幅、厚さが３５ｍｍ、２５ｍｍ、０．８ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
本発明の最も重要な特長は、電池がモノリシックであることである。換言すれば、全ての構成要素がまとめられていて、全ての電気化学的に活性な構成要素の良好なイオン接触および／あるいは電子接触が電池全体に亘って適切に保たれ、機械的な結合も保たれる。従来の円形の電池が、例えば金属製の缶によって保持されているようないかなる外部からの束縛のための圧力を必要としないのである。
【００１７】
カード１０の組み付けにおいて、リード２２、２４は従来の手段により電子装置１２に取り付けられる。その後、カード１０を成形するためにポリマー材料が電池２０と電子装置１２の周囲に形成される。図１−５に示された実施例では、電池２０は完全にカプセルに包まれて単一のカードになっている。図６は、カード１０が図中で１０ａと１０ｂで示される半分の部分から成形される様子を示している。
【００１８】
平らな薄型の電池２０を利用することにより、そして接着性かつ封止性の材料と金属ホイルのみを利用することにより、可撓性のある積層パッケージを最小寸法にして、電池２０の全体の厚さを０．８ｍｍ以下に、望ましくは０．５ｍｍ以下にすることも達成可能である。電池２０はカード１０の樹脂シェルの中でカプセルに包まれているので、パッケージ３４を形成する可撓性の積層３６はセル３２を密封するためにポリマーの封止層と金属ホイルのみを必要とするだけで、それにより電池２０の全体の厚さが減少する。
【００１９】
図８と９に、電池２０を充電する１つの方法を示す。図８からよく分かるように、アンテナフィラメント１２２がカード１０の周囲にコイル状に巻かれている。フィラメント１２２を用いて、図９に概略的に示された誘導装置１２４が電池２０を充電するためにフィラメント１２２に電流を引き起こす。カード１０内に二次電池を備えることにより、充電される電池２０により長期間の使用が可能となり、それにより電子装置１２に対する電気エネルギーの連続的な供給源を提供する。
【００２０】
図１０は、本発明によって形成された電池２０の高容量保持特性を表すグラフである。そのような電池は、図３Ａに示された構造によって形成されている。アノード層は、人工グラファイト中間相マイクロビード（ＭＣＭＢ２５−２８）からなり、その大きさは１８×２４ｍｍ２である。カソード層は、ＬｉＣｏＯ２からなり、その大きさは１７×２３ｍｍ２である。アノード層とカソード層の合計重量は０．２６３ｇである。構成要素である層は高温高圧を用いた連続積層処理によって一枚構造に結合され、気孔を形成する構成要素が溶剤で抽出され、連結タブが取り付けられる。次いで電池が樹脂／金属ホイル積層でカプセルに包み込まれ、電解液が加えられ、電池が電気化学的に形成される。残留ガスが取り除かれ、最終的な密封パッケージが形成される。積層電池の厚さは約０．４７ｍｍであり、最終的な電池パッケージの厚さは約０．６７ｍｍである。最終的な電池の大きさは連結タブを除くと約２２×２９ｍｍ２である。この電池は、約Ｃ／２の割合で周期的に用いられると約１９ｍＡｈの初期放電容量を示し、１２９サイクル後に図１０に示すように約１７ｍＡｈの放電容量を保持している。
【００２１】
前述の記載は、本発明の具体的な実施例である。本実施例は、説明のために記載されているにすぎず、本発明の思想および範囲から逸脱しない範囲で、数多くの変形および修正が当業者によりなされることが可能である。このような修正および応用は、本発明の請求の範囲に収まる限り本発明に含まれ、本発明に同等なものとして扱われる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、特定の部分および部分の配置において実際的な形状をとることができ、その好適な実施例は、明細書において詳細に説明され、その一部をなす付属の図面において例示される。
【図１】本発明の好適な実施例を表すＩＣカードの部分断面拡大斜視図である。
【図２】図１に示したＩＣカードの部分断面平面図である。
【図３Ａ】図１に示したＩＣカードに用いる好適な電池の拡大断面図である。
【図３Ｂ】図１に示したＩＣカードに用いる別の電池の拡大断面図である。
【図３Ｃ】図１に示したＩＣカードに用いる別の電池の拡大断面図である。
【図４】図２の線４−４に沿った拡大断面図である。
【図５】図２の線５−５に沿った拡大断面図である。
【図６】本発明の別の実施例を表すＩＣカードの正面断面図である。
【図７】図１〜図５に示したＩＣカードの図式的な表示である。
【図８】本発明による別の実施例を表す充電可能な電池の平面図である。
【図９】図８の線９−９に沿った断面図である。
【図１０】本発明による電池カードの充電サイクルに対する容量を表すグラフである。
【図７】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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