JP2005527093A - 印刷電池 - Google Patents
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Abstract
印刷電池(10)は、可撓性バッキングシート(12)と、前記シート(12)上に印刷された第1の伝導層(14)と、第1の伝導層(14)上に印刷された第1の電極層(16)と、前記第1の電極層(16)上に印刷された第2の電極層(18)と、前記第2の電極層(18)上に印刷された第2の伝導層(20)とを備える。
Description
本発明は、全ての能動素子が印刷されている薄くて可撓性のある電池に関する。
全てでなく一部の素子が印刷されている薄くて可撓性のある電池が知られている。例えば、米国特許第5,652,043号明細書では、薄くて可撓性のある電池が、一部の素子を印刷することによって作製されている。この電池は、水性電解質層の一部として多孔質不溶性物質が必要となるので、完全には印刷されていない。この水性電解質層は、潮解性材料、電極を電解質層に結合させるための電気活性可溶性材料および接着剤(または水溶性ポリマー)、ならびに上記の多孔質不溶性物質を含む。多孔質不溶性物質は、濾紙、プラスチック膜、セルロース膜、および布として記載されている。次に、負極および正極が、電解質層のいずれかの側の上に印刷される。グラファイト紙またはカーボン布の伝導層を、電解質の上に加えることができる。印刷によって適用される端子を電池に組み込むことができる。
米国特許第5,019,467号明細書には、可撓性絶縁材料、正の集電層、正の活性層、固体高分子電解質層、およびアノードとしての薄い金属フィルム層を含む可撓性電池が開示されている。この電池においては、正の集電層、正の活性層、および固体ポリマー電解質層が、可撓性絶縁材料上にコーティングされる。薄い金属層は、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、または無電解めっきによって形成される(すなわち、印刷されない)。
米国特許第5,747,191号明細書には、ポリマーフィルムインクを使用して、薄くて可撓性のある電池の伝導層(集電体)を形成することができると開示されている。しかしこの電池は、「ウェーブはんだ付けのような」方法によって形成されるアノード箔が必要である。
米国特許第5,558,957号明細書においては、薄くて可撓性のある電池には、集電体、ならびにアノード層およびカソード層を形成するために金属箔の使用が必要である。
比較的安価で、薄く、可撓性の低エネルギー密度電池が必要とされている。このような電池は、医薬品の経皮送達システム中に使用して、皮膚全体に薬物の拡散を促進するための追加の推進力を提供することができる。このような電池は、血糖値に関し、インスリンポンプの制御などの皮膚センサー中に使用することができる。これらの電池は、スマート(送信性)荷物タグ、IDなどの電力供給に使用することができる。このような電池は、グリーティングカードなどのある種の目新しい装置の電力供給に使用することもできる。
したがって、比較的安価で、薄く、可撓性であり、使い捨ての低エネルギー密度電池が必要とされている。
印刷電池は、可撓性バッキングシートと、前記シート上に印刷された第1の伝導層と、前記第1の伝導層上に印刷された第1の伝導層と、前記第1の電極層上に印刷された第2の電極層と、前記第2の電極層上に印刷された第2の伝導層とを含む。
印刷電池の製造方法は、第1の伝導層を可撓性バッキングシート上に印刷するステップと、第1の電極層を前記第1の伝導層上に印刷するステップと、第2の電極層を第2の伝導層上に印刷するステップと、第2の伝導層を前記第2の電極層上に印刷するステップとを含む。
本発明を説明する目的で、現時点での好ましい形態の図面が示されるが、図面に示される厳密な配置および手段に本発明が限定されるものではないことを理解されたい。
図面を参照すると、図面中の同様の符号は同様の要素を示しており、図1には、印刷電池10の第1の実施形態が示されている。印刷電池10は、可撓性基板12を含む。第1の伝導層14が基板12上に印刷される。次に第1の電極層16が第1の伝導層14上に印刷される。次に第2の電極層18が第1の電極層上に印刷される。最後に、第2の伝導層20が第2の電極層18上に印刷される。
図2には、印刷電池30の第2の実施形態が示されている。セパレーター/電解質層32が、第1の電極層16と第2の電極層18との間に印刷されていることを除けば、印刷電池30は印刷電池10と実質的に同じである。
本発明の印刷電池では、集電体または伝導層14、20、第1および第2の電極層16、18、ならびにセパレーター/電解質層32が、それぞれ可撓性基板12の上に印刷される。印刷とは、装置を使用してインクを表面に転写する工程のことである。印刷方法としては、スクリーン印刷、ステンシル印刷、パッド印刷、オフセット印刷、ジェット印刷、木版印刷、彫刻ロール印刷、フラットスクリーン印刷、ロータリースクリーン印刷、および熱転写型印刷が挙げられる。
印刷用インクは、粘稠性から半固体までの微粉砕粒子懸濁液である。この懸濁液は、乾性油または揮発性溶媒中に存在することができる。インクは、触媒、強制空気、または強制熱風などのあらゆる従来方法で乾燥される。乾性油としては、アマニ油、アルキド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド、ならびにその他の合成樹脂および炭化水素のエマルジョンが挙げられるが、これらに限定されるものではない。好適なインクは、アクリルベース、アルキドベース、アルギン酸塩ベース、ラテックスベース、またはポリウレタンベースを有することができる。アクリル系インクが好ましい。これらのインク中で、活性材料(後述の微粉砕粒子)およびインクベースが混合される。例えば、伝導層中では、導電性炭素とインクベースとが混合される。好ましくは、この導電性炭素は、インクの少なくとも60重量%であり、最も好ましくは少なくとも75%である。好ましい炭素は、粒径が0.1μm以下である。
使用される電池化学反応は限定されない。代表的な化学反応としては、ルクランシェ(Leclanche)(亜鉛−アノード、二酸化マンガン−カソード)、マグネシウム(Mg−アノード、MnO2−カソード)、アルカリMnO2(Zn−アノード、MnO2−カソード)、水銀(Zn−アノード、HgO−カソード)、メルカド(Mercad)(Cd−アノード、Ag2O−カソード)、およびLi/MnO2(Li−アノード、MnO2−カソード)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。アノード材料の粒子はインクベースに混入される。アノード活性材料は好ましくは、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、およびリチウムからなる群より選択される。アノード粒子は、インクの少なくとも80重量%であり、好ましくは少なくとも90%、および最も好ましくは少なくとも95%である。アノードの粒径は好ましくは0.5μm以下である。カソード材料の粒子はインクベースに混入される。カソード活性材料は好ましくは、二酸化マンガン、酸化水銀、酸化銀、およびその他の電気活性酸化物からなる群より選択される。カソード粒子は、インクベースの少なくとも80重量%であり、好ましくは少なくとも90%であり、および最も好ましくは少なくとも95%である。カソードの粒径は好ましくは0.5μm以下である。
電極の間にセパレーターを挿入することができる。セパレーターは、アノードとカソードとの間のイオン伝導を促進し、アノードをカソードから分離するために使用される。セパレーターは、電解質塩およびマトリックス材料を含む。周知のように、電解質塩は電池化学反応を選択することで決定される。マトリックス材料は、電極間のイオン伝導を過度に妨害してはならない。マトリックス材料は、多孔質であってもよいし、薄く印刷されてもよい。マトリックス材料としては、例えば、高充填水性アクリル樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、PVDFコポリマー(例えば、PVDF:HFP)、ポリアクリロニトリル(PAN)、およびPANコポリマーが挙げられる。好ましいマトリックス材料は、乾燥によってポリマーコーティング/フィルム中が不連続となるため本質的に多孔質である高充填水性アクリル樹脂(硫酸カルシウムまたは炭酸カルシウムなど)である。充填剤は好ましくは、層の少なくとも80重量%である。充填剤の粒径は好ましくは0.5μm以下である。
可撓性バッキングシートは、あらゆる透過性または不透過性物質であってよく、紙、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド(polyphenolynesulfide)、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレン)、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン(polyvinylidine chloride)、ならびにセルロースおよびその誘導体からなる群より選択することができる。
以下の実施例を参照すれば、本発明をよりよく理解できるであろう。
2cm×2cmの表面加工した平滑なゴムパッドを使用して、標準的な事務用ボンド紙のシートおよびポリエステルフィルムのシート(それぞれのおよその厚さは約0.07〜0.08mmである)に、2cm×2cmのセルを印刷した。印刷原板の衝撃は、セル性能に関しては無視できるが、強制熱風(例えば、ヘアドライヤーによる)を使用して促進される乾燥時間には影響が生じる。3種類のインク懸濁液を調製した。最初に、伝導性インク懸濁液を調製した。この懸濁液は、アクリル系バインダー(ローム・アンド・ハース(Rohm & Haas)HA−8アクリル系バインダー)中の79重量%の伝導性炭素(粒径<0.1μm)からなった。正極(カソード)インク懸濁液を調製した。この懸濁液は、アクリル系バインダー(ローム・アンド・ハースHA−8アクリル系バインダー)中の96+重量%の二酸化マンガン(粒径<0.4μm)からなった。負極(アノード)インク懸濁液を調製した。この懸濁液は、アクリル系バインダー(ローム・アンド・ハースHA−8アクリル系バインダー)中の96+重量%の亜鉛粉末(粒径<0.3μm)からなった。このセル全体の厚さ(ベースシートを含む)は約0.4mmであった。このセルの「無負荷」電圧が約1.4ボルトであり、連続電流密度が約0.09mA/cm2(この曲線は比較的直線的であり、平坦な放電曲線を有する)、容量が約2〜3mAh/cm2であり、最大容量(2ミリ秒を越えて持続することはない)が約6mA/cm2であり、内部抵抗(ほぼ放電時)が3.75〜5Ω/cm2であり、内部抵抗(0.16mAのドレーン率で最初に1分間使用し始めた時)が4Ωであった。
本発明の意図および本質的な特性から逸脱せずに本発明を具体化することができ、したがって、以上の明細書よりはむしろ、本発明の範囲を示している添付の請求項を参照すべきである。
Claims (14)
- 可撓性バッキングシートと、
前記シート上に印刷された第1の伝導層と、
前記第1の伝導層上に印刷された第1の電極層と、
前記第1の電極層上に印刷された第2の電極層と、
前記第2の電極層上に印刷された第2の伝導層と、
を含む印刷電池。 - 前記バッキングシートが多孔質または非多孔質の材料である請求項1の電池。
- 前記シートが、紙またはプラスチックシートからなる群より選択される請求項2の電池。
- 前記プラスチックシートが、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルフィド、ポリストリエン(polystryene)、ポリ塩化ビニル、ならびにセルロースおよびその誘導体からなる群より選択される請求項3の電池。
- 印刷が、スクリーン印刷、パッド印刷、ステンシル印刷、オフセット印刷、および/またはジェット印刷からなる群より選択される請求項1の電池。
- 前記伝導層および前記電極層のそれぞれが、アクリル、アルキド、アルギン酸塩、ラテックス、ポリウレタン、アマニ油、または炭化水素のエマルジョンからなる群より選択されるベースを有するインクを使用して印刷される請求項1の電池。
- 一方の前記電極がアノードであり、他方の前記電極がカソードであり、前記アノードが、亜鉛、マグネシウム、カドミウム、およびリチウムからなる群より選択される活性材料を有し、前記カソードが、二酸化マンガン、酸化水銀、酸化銀、またはその他の電気活性酸化物からなる群より選択される材料を有する請求項1の電池。
- 前記第1の電極と前記第2の電極との間に挿入される電解質層をさらに含む請求項1の電池。
- 前記電解質層がバインダーおよび電解質から実質的になる請求項8の電池。
- 第1の伝導層を可撓性バッキングシート上に印刷するステップと、
第1の電極層を前記第1の伝導層上に印刷するステップと、
第2の電極層を第2の伝導層上に印刷するステップと、
第2の伝導層を前記第2の電極層上に印刷するステップとを含む、印刷電池の製造方法。 - 次の層を印刷する前に、各層を湾曲させるステップをさらに含む請求項10の方法。
- 湾曲させるステップが乾燥を含む請求項11の方法。
- 乾燥が強制熱風の使用を含む請求項12の方法。
- 前記第2の電極層を印刷する前に、電極層を前記第1の電極層上に印刷するステップをさらに含む請求項10の方法。
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