JP2005339825A - 電池一体化回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池と共に回路一体化し、一層の小型軽量化を図ることのできる電池一体化回路装置の製造方法を提供する。
【解決手段】第１の絶縁基板１０の第１面に回路配線１５と有機トランジスタ１７とからなる電子回路２をインクジェットプリンタを用いて形成し、第１の絶縁基板１０の第２面に正極集電体２１、正極層２２、電解質層２５を形成し、別途第２の絶縁基板３０上に負極集電体３１、負極層３２、電解質層２５を形成したものを、正極層２２負極層３２が対向するように互いの電解質層２５を貼り合わせて、正極層２２、電解質層２５、および負極層からなる電池部３に直接電子回路２が形成された電池一体化回路装置を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電池と電子回路とを一体化させた電池一体化回路装置に関する。

従来の電気・電子装置は、基板上に個々の電子部品を配置し、これらをはんだ等により電気的に接続して回路を形成している。また、近年、このような回路基板においては、基板上に直接、様々な集積回路（ＩＣ、ＬＳＩ、その他の能動素子等を含めて）を形成し、多くの電子部品が一体化した回路基板が提供されている（特許文献１、特許文献２など参照）。
特開２００１−２３０４２１号公報 特開２００２−２２１９１８号公報

しかしながら、従来の技術にあっては、電池を用いる場合、別々に製造された電池と、電池回路が形成された基板とをリード線に接続して一体化するものであり、出来上がり形状としては、あたかも電池と電子回路が一体化しているものの、製造工程にあっては必ずしも電池と電子回路が一体化したものとは言えず、このため、小型軽量化の限界があった。

そこで本発明の目的は、電池と共に回路を一体化し、一層の小型軽量化を図ることのできる電池一体化回路装置の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、第１の絶縁基板上に正極集電体を形成する工程と、前記正極集電体上に正極層を形成する工程と、前記正極層に隣接して電解質層を形成する工程と、第２の絶縁基板上に負極集電体を形成する工程と、前記負極集電体上に前記電解質層に隣接して負極層を形成する工程と、前記絶縁基板板上に形成された電子回路を前記正極集電体および前記負極集電体と電気的に接続する工程とを有することを特徴とする電池一体化回路装置の製造方法である。

本発明によれば、インクジェット方式により電池部および電子回路を形成するので、直接電池と電子回路が一体化される。特に、電池を形成する基板と、電子回路を形成する基板が共通化されるため、電子回路と電池を別々に製造してこれらを接合したような装置と比較して小型、軽量化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本実施形態によるは、二次電池と共にこの二次電池からの電量を利用する電子回路を一体化した電池一体化回路装置である。

図１は、電池一体化回路装置の外観構成を示す斜視図であり、図２は、この電池一体化回路装置の要部断面図である。

この電池一体化回路装置１は、第１の絶縁基板１０の第１面にインクジェット方式によって形成された電子回路２を有し、第２面側に二次電池部３を有する。

このような電池一体化回路装置１は、概略以下のようにして製造されている。

まず、第１絶縁基板１０の第１面にインクジェット方式によって有機導電性材料による回路配線１５と有機トランジスタ１７が形成されて電子回路２が製作される。

次に、第１絶縁基板１０の第２面側に、集電体未形成部分（詳細後述）を除く全面に正極集電体２１を形成し、その上に直接正極活物質をインクジェット方式により塗布して正極層２２を形成する。そして正極層２２上に固体高分子電解質層２５を塗布する。

次に（または別途）、第２の絶縁基板３０を用意し、少なくとも一方の面に、集電体未形成部分を除いて負極集電体３１を形成し、その上に直接負極活物質をインクジェット方式により塗布して負極層３２を形成し、負極層３２上に固体高分子電解質層２５を形成する。

そして、この負極層３２が形成された第２の絶縁基板３０を、負極層３２側を第１の絶縁基板１０の正極層２２と向かい合うようにして互いの固体高分子電解質層２５を貼り合わせて二次電池部３を形成する。

このようにして形成された二次電池部３の正極集電体２１と電子回路２、および負極集電体３１と電子回路２は、集電体未形成部分の互いに重複しない位置にあらかじめ突出させた集電体の一部と、集電体未形成部分を貫通するビアホール５１に充填した導電材５２により接続している。ビアホール５１の周囲は、絶縁性樹脂５０により充填されている。

なお、ここでは、負極層３２側の固体高分子電解質層２５は正極２２側の固体電解質層との貼り合わせを考慮して形成しているが省略してもかまわない。

また、負極層３２は、その形成のために熱処理が必要であるために第２の絶縁基板３０を用いて別途形成したが、これに代えて、正極層２２とする活物質および正極層とする活物質を適宜選択することで、正極層２２乗に形成した固体高分子電解質層２５の上に、直接インクジェット方式により負極層３２を形成し、貼り合わせ工程をなくしてもよい。

以下さらに詳細な製造方法について説明する。

以下の説明では、先に電池部分の構成およびその製造方法を説明し、続いて、正極側に設けた電池回路部分の構成およびその製造方法について説明する。

図１は、この二次電池の電極層部分を示す図面である。

図３に示すように、二次電池の電極層部分は、絶縁基板１００（第１の絶縁基板１０または第２の絶縁基板３０）上に集電体１０４（正極集電体２１または負極集電体３１である）を設け、この集電体１０４上に活物質を含む電極層１０２（正極層２２または負極層３２である）が電極として設けられている。

絶縁基板１００は、たとえば、エポキシ、フェノールなどの樹脂基板、ガラス基板、その他の絶縁基板が用いられる。

さらに本発明において、たとえば可とう性を備えた絶縁基板が好ましい場合、いわゆるフレキシブル基板といわれるポリイミドやポリエステルやポリアミドといった材質で構成された基板を利用することも可能である。

集電体１０４としては、たとえば、正極側の集電体は、アルミニウム箔が用いられ、一方、負極側の集電体は、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔、鉄箔などが用いられる。

電極層１０２は、集電体１０４と電極層１０２とが積層されている部位として定義される電極面の平均厚さが５〜３００μｍ、電極面の最大厚さが電極面の最小厚さの１０５％以下である電極である。そして、この電極層１０２は、インクジェット方式により形成されている。

なお、図３は、発明の理解のために誇張されている。これはたとえば、インクジェット方式によって噴出された粒子が付着することによって電極層１０２が形成されたことを示すために、電極層１０２が多数の粒子から構成されているかのように図示されているが、電極層１０２は、肉眼で見た場合には１つの層として確認される。

絶縁基板１００上には、一部集電体１０４が形成されていない集電体未形成部分１０９があり、この集電体未形成部分１０９には、集電体１０４の一部が突出した部分１０８がある。この突出部分１０８は、正極側と負極側で互いに同じ位置にならないようにしている。

そして、この突出部分１０８以外の絶縁基板１００が露出した集電体未形成部分１０９には、ビアホール１１０が形成される。なお、本実施形態において、このビアホールは、図２に示したように、第１の絶縁基板１０に形成した電子回路２から負極側集電体３２に至るためのものであるため、第１の絶縁基板１０にのみ形成されていればよい。また、このビアホールの周囲は、絶縁性の樹脂（特に限定されない）によって充填されている。具体的には、二次電池部３を形成したのち集電体を形成していない部分に樹脂材料を充填して硬化させた後、電池回路２の所定の配線部分（負極と接続する部分）からビアホールを形成して、形成したビアホール内に導電性材料、たとえば、半田などを流し込むことで電子回路２と負極柄の集電体３１とを接続する。なお、半田に代えて、有機導電性材料（後述）をビアホール内に充填することで、電子回路を負極側集電体との接続を行ってよい。

従来、電極層を形成するためには、ロール型塗布機などのコーターが用いられていた。しかしながら、従来知られているコーターを用いて、一定以上の薄さおよび均一性を有する電極層を形成することは不可能であった。薄さについて説明すれば、塗布機によって電極層を形成する際には、形成される塗膜にある程度の厚みがないと、膜が形成されない部分が生じてしまう。均一性について説明すれば、塗布機によって電極層を形成する際には、塗膜の端部において、膜厚が厚くなる傾向がある。つまり、塗膜が形成される部位と塗膜が形成されない部位との界面において、塗膜が厚くなる傾向がある。

そこで、本実施形態における二次電池部においては、電極層の薄型化および均一化という従来達成できなかった要件を、インクジェット方式を採用することによって達成したものである。インクジェット方式とは、液体のインクをノズルから噴出させて、インクを対象物に付着させる印刷方式を意味する。インクジェット方式は、インクを噴出させる方式によって、ピエゾ方式、サーマルインクジェット方式、バブルジェット（登録商標）方式に分類される。

ピエゾ方式は、インクを溜めるインク室の底に配置された、電流が流れることによって変形するピエゾ素子の変形によって、インクをノズルから噴出させる方式である。サーマルインクジェット方式は、発熱ヒーターによって、インクを加熱し、インクが気化する際の水蒸気爆発のエネルギーでインクを噴出させる方式である。バブルジェット（登録商標）方式も、サーマルインクジェット方式と同様、インクが気化する際の水蒸気爆発のエネルギーでインクを噴出させる方式である。サーマルインクジェット方式とバブルジェット（登録商標）方式とは、加熱する部位が異なるが、基本的な原理は同じである。

インクジェット方式を用いて電極層を形成するには、電極層を形成するためのインクを準備する。正極層を製造するのであれば、正極層の構成要素を含む正極インクを調製する。負極層を製造するのであれば、負極層の構成要素を含む負極インクを調製する。たとえば、正極インクには、正極活物質が少なくとも含まれる。正極インクには、他にも、導電材、リチウム塩、溶媒などが含まれうる。正極のイオン伝導性を向上させるために、重合によって高分子電解質層となる高分子電解質層原料および重合開始剤が、正極インク中に含まれてもよい。なお、インクジェット方式を用いて、電極層を形成する方法については、後で詳述する。

次に、電極層を形成する基材を準備する。基材は、電池において電極層に隣接する部材、たとえば、集電体や固体高分子電解質層膜が用いられる。本実施形態では、正極側となる基材は、第１面に電子回路が形成され、第２面に集電体が形成された第１の絶縁基板である。一方、負極側の基材は、集電体が形成された第２の絶縁基板である。このような基材は、電極インクを印刷可能なインクジェット装置に通すことのできる厚さである必要がある。

そして、基材に対して、インクジェット方式により電極インクを噴出させ、基材に付着させる。インクジェット装置のノズルから噴出されるインクの量は、非常に微量であり、しかも、略等体積の量を噴出させることが可能である。したがって、電極インクの付着によって形成される電極層は、非常に薄く、かつ、均一である。また、インクジェット方式を用いれば、電極層の厚さや形状が、精密に制御されうる。従来の塗布機を用いて電極層を形成する場合には、複雑な形状の電極層を形成することは困難である。一方、インクジェット方式を用いれば、コンピュータ上で所定のパターンをデザインし、それを単に印刷するだけで、所望の形状の電極層が形成される。厚さに関しても、１回の印刷では電極層の厚さが不足する場合には、同一面に対して、２回以上印刷を繰り返せばよい。つまり、同じインクを、同一の基材に重ねて印刷する。それにより、所望の厚さを有する電極層が形成される。

電極層の厚さは、特に限定されない。一般的には、正極層の厚みは１〜１００μｍ、負極層の厚みは１〜１４０μｍ程度である。

このように電極層は、インクジェット方式を用いて形成されうるが、インクジェット方式については、特に限定されない。したがって使用するインクに応じて必要な改良を施してもよい。インクジェット方式は、現在において、非常に広く知られた技術であり、インクジェット方式についての詳細な説明は省略する。

次に、このインクジェット方式による電極の製造方法について説明する。

まず、インクジェット方式によって電極層を形成される基材を準備する。基材としては、集電体または高分子電解質層膜が用いられうる。基材を単独でインクジェット装置に供給することが困難な場合には、基材を紙などの媒体に貼り付けて、これをインクジェット装置に供給する方式を用いればよい。

インクジェット方式による印刷に先立ち、正極インク、負極インクを準備する。高分子電解質層膜もインクジェット方式によって作製する場合には、電解質層インクも準備する。

正極インク中に含有される成分としては、正極活物質、導電材、高分子電解質層原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。少なくとも正極活物質が含有される。エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーなどの高分子電解質層原料とベンジルジメチルケタールなどの重合開始剤を含有して、正極層を印刷した後、重合させて電極層のイオン伝導性を向上させてもよい。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。

正極インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。ただし、正極インクの粘度は、インクジェット方式が適用できる程度に低くあるべきである。粘度を低く保つ方法としては、溶媒の配合量を増加させる方法、および、正極インクの温度を上昇させる方法が挙げられる。ただし、溶媒の配合量を増加させすぎると、電極層における単位体積辺りの活物質量が減少するので、溶媒の配合量は最低限に抑えるとよい。高分子電解質層原料やその他の化合物を、粘度が低くなるように改良してもよい。

負極インク中に含有される成分としては、負極活物質、導電材、高分子電解質層原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。少なくとも負極活物質が含有される。エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーなどの高分子電解質層原料とベンジルジメチルケタールなどの重合開始剤を含有して、負極層を印刷した後、重合させて電極層のイオン伝導性を向上させてもよい。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。

負極インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。配合比についての説明は、正極インクについてしたとおりであるので、ここでは説明を省略する。

電解質層インク中に含有される成分としては、高分子電解質層原料、リチウム塩、重合開始剤、および溶媒が挙げられる。少なくとも高分子電解質層原料が含有される。高分子電解質層原料としては、インクジェット後の重合により、高分子電解質層を形成しうる化合物であれば、特に限定されない。たとえば、エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマーが挙げられる。これらの成分は、溶媒中に加えられ十分に撹拌される。溶媒は、特に限定されないが、たとえば、アセトニトリルが挙げられる。

電解質層インク中に含有される成分の配合比は、特に限定されない。配合比についての説明は、正極インクについてしたとおりであるので、ここでは説明を省略する。電解質層インクにおいては、高分子電解質層原料が比較的多く含まれるが、高分子電解質層原料はインクの粘度を向上させやすいので、留意するべきである。なお、電解質層インクは、作製される電池に含まれる電解質層が液体であるような場合には、必要ないことは勿論である。

電極は、正極であっても、負極であってもよい。好ましくは、既に説明したように、電極層は、活物質を含む液体を多数の粒子として噴出させて、所定の基材に付着させるインクジェット方式によって形成される。たとえば、リチウム電池用の電極である場合には、正極活物質としては、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４などのＬｉ−Ｍｎ系複合酸化物やＬｉＮｉＯ_２などのＬｉ−Ｎｉ系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、２種以上の正極活物質が併用されてもよい。負極活物質としては、結晶性炭素材や非結晶性炭素材が挙げられる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボンなどが挙げられる。場合によっては、２種以上の負極活物質が併用されてもよい
電極層の構成は、用途に応じて適宜選択すればよく、特に限定されない。たとえば、正極は、少なくとも正極活物質が正極層中に含まれる。その他にも、導電材、リチウム塩などが含まれうる。正極のイオン伝導性を向上させるために、高分子電解質層が分散していてもよい。これらの配合量については、特に限定されない。既に得られている知見に基づいて、配合量を決定すればよい。

インクジェット装置に供給される各インクの粘度は、特に限定されないが、好ましくは０．１〜５０ｃＰ程度である。

インクジェット方式により、基材にインクを噴出させて、電極層を形成する。電極層を形成する際には、電極層のパターンをあらかじめ決定しておく。コンピュータ上において作成された像に基づいて、電極層が形成されるようにしておくと、作業性に優れる。コンピュータを用いたパターン決定および電極層の作製は、一般に広く知られている、コンピュータおよびプリンタを用いた画像作成およびプリントアウトの作業と同様である。したがって、この分野において発達した知見を援用できる点で、本発明は工業的生産の実現が、比較的容易であるといえる。

インクジェット装置に基材を供給して、活物質を含む液体である電極インクを、多数の粒子として噴出させて、あらかじめ設計したパターンに従って、粒子を基材に付着させる。インクジェット装置が採用するインク噴出機構は、ピエゾ方式、サーマルインクジェット方式、バブルジェット（登録商標）方式のいずれでもよい。好ましくは、圧電素子の体積変化によりインク粒子を噴出させる、ピエゾ方式が用いられる。

インクジェット装置より噴出される粒子の体積は、好ましくは、１〜１００ピコリットルの範囲である。噴出される粒子の体積が少なすぎると、振動低減が不充分になる虞がある。一方、噴出される粒子の体積が多すぎても、振動低減が不充分になる虞がある。インクジェット装置を用いて噴出される粒子の体積は、ほぼ同一であり、製造される電極および電池は、非常に均一性が高い。

インクジェット装置によって１回粒子を付着させただけでは、電極層の膜厚が不充分な場合には、同一の箇所に２回以上粒子を付着させて、電極層の厚さを増加させてもよい。「同一の箇所」とは、１回目のインクジェット装置による印刷によって電極層が形成された部位と、同じ部位を意味する。つまり、同一の材料による重ね塗りである。このような手法を用いて、均一な厚さの電極層を積層することにより、電極の厚みを増加させうる。インクジェット方式で電極層を形成する場合には、形成される電極層の均一性が非常に高いため、何回も積層させた場合であっても、高い均一性が維持される。

電極層が形成された後は、乾燥により溶媒が除去される。高分子電解質層原料を配合しているのであれば、重合により高分子電解質層を形成させるために、重合処理を施してもよい。たとえば、光重合開始剤を加えた場合には、たとえば、紫外線を照射して、重合を開始させる。これにより電極が完成する。

このような電池の製造方法は、さらに、重合開始剤と重合開始剤によって誘起される重合反応によって高分子電解質層を形成する高分子電解質層原料とを含む液体を、多数の粒子として噴出させるインクジェット方式を用いて、高分子電解質層膜を形成する工程を含んでもよい。重合開始剤や高分子電解質層原料については、既に説明したので、ここでは説明を省略する。

ここで、このようなインクジェット方式により形成した電極によってもたらされる主な効果について説明する。

まず、この電極は、電極層が積層された電極面の膜厚が、非常に均一である。このため、電極面からの発熱が均一になり、局所的な劣化が抑制される。したがって、このような電極を用いたバイポーラ型二次電池は、振動に対する耐久性が高い。振動に対する耐久性が高いため、本発明の電極を有する電池は、振動が加えられやすい用途、たとえば、車両に好適に適用されうる。振動に対する耐久性は、膜の均一性およびインクジェット方式で作製される電極層のミクロ構造に起因していると推測される。膜の均一性が高いと、厚さの分布に起因する共振が減少されうる。

また、図４に示すように、インクジェット方式で作製される電極層は、付着した電極インクによって形成された多数のドット２０２から構成される。ドット２０２は、隣接するドット２０２との界面において、表面張力で接合した構造になる。かようなミクロ構造は、ドット２０２がマス、表面張力で接合する部分２０４がバネとして作用し、「マスバネモデル」として図示されたような作用を有する。振動に対する耐久性は、図示したマスバネモデルのような作用により、もたらされていると推測される。

次に、このようなインクジェット方式により形成した電極の厚さおよび平坦度について説明する。

インクジェット方式により形成した電極は、電極面の平均厚さが、５〜３００μｍである。インクジェット方式を用いて電極面を作製することによって、このような平均厚さを有し、かつ、平坦な電極が作製されうる。ここで、電極面とは、集電体と電極層とが積層されている部位として定義される。図３においては、集電体１０４上に電極層１０２が形成されている部分が、電極面に相当する。電極層が集電体の両面に形成されている場合には、１層の集電体と２層の電極層とを合わせた厚さが、電極面の厚さに相当する。集電体の一方に電極層が形成された電極においては、好ましくは、電極面の平均厚さは６〜１２０μｍである。集電体の両面に電極層が形成された電極においては、好ましくは電極面の平均厚さは７〜３００μｍである。

電極面の面積は特に限定されないが、一般には、電極面の面積が広くなるほど、電極面の均一性を保つことが困難となる。この観点からは、電極面の面積が５０ｃｍ２以上である場合に、本発明は特に有益である。

しかも、このような平均厚みを有しながら、非常に平坦であり、電極面の最大厚さが、電極面の最小厚さの１０５％以下である。このような平坦度を有していると、発熱のムラが生じにくく、電池寿命が長くなる。また、厚さの分布に起因する共振によって引き起こされる電池の亀裂や破断も抑制される。

なお、電極および電池の厚さは、マイクロメータを用いて測定されうる。測定手順の一例を示せば、電極面の平均厚さ測定に当たっては、まず、測定される領域を３×３の９つの領域に分割する。そして、各領域内の任意の３点の厚さを測定し、その平均をその領域の厚さとする。全ての領域について厚さを測定し、それらの平均を算出する。この作業を１０回以上行い、その平均を電極面の平均厚さとする。なお、本願においては、この作業を繰り返す数を、「繰り返し数Ｎ」とする。

電極面の最大厚さおよび電極面の最小厚さは、前記領域の厚さが、最大である領域および最小である領域の厚さとして測定される。

電極層が集電体上に積層されていない部分である未塗工部から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さは、未塗工部近傍の領域を、未塗工部からの距離が等しくなるように３つに分割する。本実施形態においては、電極層１０２と未塗工部１０４との界面から１０ｍｍ以内の電極層領域を、各領域の一辺が前記界面となるように、３つに分割する。それぞれの領域について、各領域内の任意の３点の厚さを測定し、その平均をその領域の厚さとする。全ての領域について厚さを測定し、それらの平均を算出する。この作業を１０回以上行い、その平均を未塗工部から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さとする。

好ましくは、電極層が集電体上に積層されていない部位から１０ｍｍ以内における電極面の平均厚さが、その他の部位における前記電極面の平均厚さの１０４％以下である。電極層が集電体上に積層されていない部位とは電極層が形成されていない領域を意味する。集電体上に形成される電極層は、未塗布部位近傍が厚くなる傾向がある。電極層が集電体上に積層されていない未塗布部位には、タブが形成されがちであるが、この部分が厚いと、電池に加えられる振動により共振が生じ、タブと集電体とが断裂する可能性が高まる。

また好ましくは、電極層の平均厚さ（Ａ）に対する、電極層の厚さの標準偏差（σ）の比（σ／Ａ）が、３％以下である。既に、厚さの分布と発熱のムラとの関係については説明したが、具体的には、このような値を満足する程度の平坦度を電極が有していると、発熱のムラが生じにくい。また、厚さの分布により生じる共振が生じにくい。これらの理由により、電池の寿命が長くなる。

インクジェット方式を用いて電極層を形成すると、上記説明したように、薄く、かつ均一な電極層が製造されうる。

インクジェット方式を用いて電極層を形成する場合における製造方法としての利点は、作業性の向上が挙げられる。ロール型塗工機など、塗工機を用いて電極層を形成する従来の方法は、正極および負極ごとに別々の塗工機が存在することが必須であり、製造ラインが大掛かりになり、電極の製造時間も長かった。本発明のインクジェット方式を用いて電極層を形成する方法であれば、単一のインクジェットラインで正極層および負極層、場合によっては高分子電解質層膜が作製されうる。また、従来の方法と異なり、精密なパターンの電極層を作製しうる。しかも、コンピュータ上で設計変更が自由に行われうる。したがって、一台のインクジェットラインで、複数種の電極層や高分子電解質層膜が作製されうる。

次に、電解質層は、上記のようにインクジェット方式により集電体１０４上に形成された電極層１０２（正極と負極）の間に挟まれるものである。

電解質層としては、固体高分子電解質層膜が好ましい。固体高分子電解質層膜としては、ポリマーの主成分として粘着力のあるポリマー電解質層を使用する。

これには、たとえば、ポリエチレンオキシド、プロピレンオキシド等のポリアルキネンオキシド、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、ポリアクリロニトリル等のアクリロニトリル系ポリマー、架橋ポリエーテル等がある。固体高分子電解質層膜はこれらの高分子を主成分として膜状（薄板状を含む）に成形したものである。

これらの高分子物質のなかでも、架橋ポリエーテルが特に好ましい。架橋ポリエーテルとしては、たとえば、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４５，１５２１−１５２７（１９９８）に記載されているようなポリエチレンオキシド（ＰＥ）およびポリプロピレンオキシド（ＰＯ）系高分子であり、特にポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドとのランダムコポリマーをトリオールで架橋し、さらに不飽和脂肪酸でエステル化し、これをアルコシキ化したものが好ましい。このようなポリエーテルトリオールから得られるものとしては、部分メチル化ポリエーテルアクリレートがある。

このような分子内に炭素−炭素二重結合を持った原料モノマーを用いて合成した高分子は、ＬｉＢＦ_４などのリチウム塩をよく溶解できるうえに、加熱乾燥して十分に溶媒を除去した後でも、粘着性が強く、弾力に富んでいるので、薄膜状に形成することが可能である。

固体高分子電解質層膜の形成には、重合開始剤、および溶媒が混合されて、膜状にして加熱重合されることにより成形される。このとき、溶媒は完全除去されて固体電解質層膜１１となる。なお、固体電解質層膜１１には、さらにリチウム塩などが含まれていてもよい。

このような電解質層も、インクジェットプリンタを用いて電極層上にべた塗り印刷により形成するとよい。なお、電解質層については、ロール型塗工機などを用いてもよい。

次に、電子回路は、本実施形態においては、第１の絶縁基板の第１面に、上述した電池部分の形成前に形成している。

ここでは電池回路もインクジェット方式により形成する。なお、インクジェット方式へ既に説明した電極層の形成と同様であるのでその説明を省略する。

インクジェット方式による電子回路の形成は、有機導電性材料を、インクジェットプリンタを用いてトランジスタなどの能動素子パターンや回路パターンを印刷形成することで行われる。

このような有機導電性材料による電子回路は、たとえば、平成１６年２月２３日検索、ナノエレクトロニクス.jpホームページ内「有機トランジスタ＆プリンタブル集積回路」（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/printableofet/index.htm＞）、平成１６年２月２３日検索産業技術総合研究所ホームページ内「印刷プロセスで製造できる有機薄膜トランジスタを開発」（インターネット＜ＵＲＬ：http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2002/pr20020121/pr20020121.html＞）などに開示された内容により形成することができる。

具体的には、高分子系の有機トランジスタでは、たとえばソース、ドレイン、ゲート、および回路配線パターンなどの導体には、ＰＥＤＯＴ（ポリチオフェン、ｐｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙ）ｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）やＰＰＶ（ポリフェニレンビニレン）などが用いられる。また、ゲート絶縁膜などの絶縁層には、ＰＶＰｈ（ポリビニルフェノール）などが用いられる。そして、半導体層にはポリチオフェン系などのものが使われている。特にこの半導体層は、キャリア移動度がトランジスタの性能を大きく左右するため、重要視されている。

高分子材料では、キャリア移動度は低分子の単結晶よりも劣り、１０^−７〜１０^−５ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。これは高分子が結晶構造をとっておらず、電子が分子内をホッピングなどによって移動しているためだと考えられる。しかし製造プロセスの段階で高分子の配向をそろえることで、キャリア移動度を劇的に挙げることができる。

このような高分子材料は溶媒に溶解した液体状態で用いることができるため、インクジェットプリンタを用いて、絶縁基板上に、所定のパターン（ソース、ドレイン、ゲート、および絶縁膜からなるトランジスタ、および回路を形成するための配線パターン）を印刷することで容易に形成可能である。

以上のように、本実施形態によれば、インクジェット方式により電池部および電子回路を形成するので、製造が容易である。特に、電池を形成する基板と、電子回路を形成する基板が共通化されているため、電子回路と電池を別々に製造してこれらを接合したような装置と比較して小型、軽量化が達成される。また、用いる材料も高分子材料が主なものであるから、装置全体として可とう性があり、かつ薄膜化が容易であるから、電池と電子回路を一体化しつつ、可とう性のある装置を提供することができる。さらに、電池上に直接電子回路を形成しているため、電池と電子回路との間の配線距離が非常に短くなり電力効率の高い装置を提供することができる。

以上、本発明による最良の形態を説明したが、本発明は、当然にこれらの実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態においては、電池部は、１対の正極と負極を対向させた電池構成としているが、さらに、正極層および負極層の間に、正極層、集電体層、負極層、および電解質層を順次形成し、一つの集電体の第１面に正極、第２面に負極を設けたバイポーラ電極を形成して、複数の電池層を積層したバイポーラ型二次電池構成としてもよい。この場合も、各電極層は、集電体を基材としてインクジェット方式により容易に形成することができる。

また、その製造方法においては、第１の絶縁基板上に先に電子回路を形成することとしたが、これは、様々な有機トランジスタや回路配線からなる電子回路を形成する際に、インクジェットプリンタでは、電池部を形成する前の１枚の絶縁基板状態のままの方が印刷時の送りずれなどが少なくなり、より正確なパターンを印刷することが可能となるためである。したがって、印刷時の送りずれが少なく、または、影響しないような電子回路のパターンであれば、電池部を形成した後に有機トランジスタや回路パターンを形成してもよい。また、電子回路は、正極層を形成した第１の絶縁基板に限らず、第２の絶縁基板側にあってもよいし、またはその両方に形成してもよい。

さらに、上述した実施形態においては、電池部は積層構造としているが、これに代えて一つの絶縁基板上の１面に電子回路と共に電池部を同一平面上にインクジェット方式を用いて形成してもよい。具体的には、たとえば、図５に示すように、一つの絶縁基板５００の１面に電子回路となる回路配線１５と有機トランジスタ１７が形成され、同時に、集電体５１０、正極５０２、電解質層５０４、および負極５０６が平面構造的に形成されているものである。この構造においては、電池部分は、一つの集電体が正極集電体と負極集電体を兼ね、その一方の面に正極、他方の面に負極が形成されたバイポーラ型二次電池構成となり、一つの電池セル５０８が複数連続した構造をとなる。このように同一平面状に電子回路と電池部を設けることで、非常に薄い電池一体化回路装置となる。なお、この場合でも用いる絶縁基板、有機導電性材料、正極活物質、負極活物質、電解質層、および集電体については、上述した実施の形態と同じでよい。なお、集電体もインクジェット方式により形成する場合には、溶媒に銅やアルミニウムの粒子を分散させたうえで、インクジェットプリンタを用いて印刷形成するとよい。

さらに、本実施形態による電池一体化回路装置は、能動素子のほかに、抵抗、キャパシタ、インダクタなどの受動素子も有機導電性材料を用いてインクシャットプリンタによりそれぞれのパターンを製作して形成してもよい。

本発明の電池と、その電池からの電力を用いる回路に適用することが可能であり、たとえば、電池とインバータ回路を一体化した装置、電池とその電力によって動作するモータなどの動力源を制御する制御回路を一体化した装置、電池とその電力により発光させる有機エレクトロルミネッセンスの駆動制御回路を一体化した装置、電池内蔵型のＩＣタグなどに利用することができる。

電池一体化回路装置の外観構成を示す斜視図である。 電池一体化回路装置の要部断面図である。 電極層を説明するための平面図である。 インクジェット方式で作製される電極層の作用を説明するための図面である。 他の実施形態を説明するための電池一体化回路装置の平面図である。

符号の説明

１…電池一体化回路装置、
２…電子回路、
３…二次電池部、
１０…第１の絶縁基板、
１５…回路配線、
１７…有機トランジスタ、
２１…正極集電体、
２２…正極層、
３０…第２の絶縁基板、
３１…負極集電体、
３２…負極層、
５０…絶縁性樹脂、
５１…ビアホール、
５２…導電材、
１０２…電極層、
１０４…集電体。

Claims (7)

1. 第１の絶縁基板上に正極集電体を形成する工程と、
   前記正極集電体上に正極層を形成する工程と、
   前記正極層に隣接して電解質層を形成する工程と、
   第２の絶縁基板上に負極集電体を形成する工程と、
   前記負極集電体上に前記電解質層に隣接して負極層を形成する工程と、
   前記絶縁基板板上に形成された電子回路を前記正極集電体および前記負極集電体と電気的に接続する工程とを有することを特徴とする電池一体化回路装置の製造方法。
2. 前記正極活物質を形成した前記第１の絶縁基板と、前記負極活物質層を形成した第２の絶縁基板とを前記電解質層を挟んで積層する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の電池一体化回路装置の製造方法。
3. 前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板は一つの基板であり、前記正極集電体、前記正極層、前記電解質層、前記負極集電体、前記負極層は、および前記電子回路は、当該一つの基板の同一平面上に形成することを特徴とする請求項１または２記載の電池一体化回路装置の製造方法。
4. 前記電子回路は、前記第１の絶縁基板および前記第２の絶縁基板のうち、少なくともいずれか一方の基板の第１面側に形成され、前記正極集電体または前記負極集電体は、前記電子回路が形成されていない第２面側に形成することを特徴とする請求項１または２記載の電池一体化回路装置の製造方法。
5. 前記正極層、前記負極層、前記電解質層は、インクジェット方式により形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電池一体化回路装置の製造方法。
6. 前記電子回路は、有機トランジスタを含み、当該有機トランジスタはインクジェット方式により形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電池一体化回路装置の製造方法。
7. 前記正極層および前記負極層の間に、さらに正極層、集電体層、負極層、および電解質層を順次に形成する工程を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の電池一体化回路装置の製造方法。

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