JP2017098249A - ポリマー電解質を含む生物医学的通電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポリマー電解質を含む通電素子を形成する、設計、方策及び方法を提供する。
【解決手段】 いくつかの実施例において、生体適合性通電素子は、生物医学的装置において使用され得る。いくつかの更なる実施例において、生体適合性通電素子は、コンタクトレンズにおいて使用され得る。
【選択図】 図１Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許仮出願第６２／０４０１７８号（２０１４年８月２１日に出願）の利益を主張する、米国特許出願第１４／８２７，５８９号（２０１５年８月１７日に出願）の一部継続出願である。

（発明の分野）
電池の性能及び生体適合性の態様を向上するための設計及び方法が記載される。いくつかの実施例では、固体ポリマー形態の電解質が提供される。

近年、医療用装置の数及びその機能が急速に発達し始めている。こうした医療用装置としては、例えば、埋め込み型ペースメーカー、生物学的機能のモニタリング及び／又は検査を行うための電子ピル、活性成分を備える外科用装置、コンタクトレンズ、輸液ポンプ、及び神経刺激装置を挙げることができる。上記医療用装置の多くに対する追加機能及び性能の向上が理論上想定され、開発されている。しかしながら、理論上想定される追加機能を実現するには、これらの装置の多くで、これらの装置の寸法及び形状に関する要件、並びに新たな通電部品のエネルギー要件に適合する内蔵型の通電手段が必要とされている。

一部の医療用装置は、様々な機能を実行し、かつ多くの生体適合性及び／又は埋め込み型装置に組み込み可能な、半導体装置などの電気部品を含んでよい。しかしながら、かかる半導体部品は、エネルギーを必要とするため、好ましくは、通電素子はかかる生体適合性装置にも含まれるべきである。生体適合性装置のトポロジー及び比較的小さな寸法により、様々な機能を定義する環境は困難なものとなり得る。多くの実施例では、生体適合性装置内の半導体部品を通電するための、安全で、信頼性が高く、小型で、かつ費用効率の高い手段を提供することが重要であり得る。したがって、生体適合性装置内、又は生体適合性装置上への埋め込みのために形成される生体適合性通電素子であって、ミリメートル以下の大きさの通電素子の構造体が、通電素子の機能の向上をもたらす一方で、生体適合性を維持する、生体適合性通電素子の必要性が存在する。

装置に給電するために使用されるかかる通電素子の１つは、電池であり得る。生物医学的種類の用途において電池を使用する際、電池の構造及び設計が、本質的に、物質の侵入及び進出に対する抵抗性を提供することは重要であり得る。ポリマー電解質電池の設計によって、かかる抵抗性が付与され得る。

したがって、生体適合性通電素子として使用するために生体適合性があるポリマー電解質電池の新規の実施例に対する必要性が存在する。

したがって、生体適合性通電素子で使用するポリマー電解質電池の設計及び関連する方策及び設計が開示されている。

一般的な態様の１つには、電気活性構成要素及び電池を含む生物医学的装置を含む。電池はポリマー電解質を含んでよく、ポリマー電解質はイオン種を含む。電池はまた、二酸化マンガンカソードも含む。生物医学的装置はまた、第１封入層を含み、この第１封入層は、少なくとも電気活性構成要素及び電池を封入している。

実現形態は、以下の特徴のうちの１つ又は２つ以上を含み得る。生物医学的装置において、電池は更に：アノード集電体；カソード集電体；及びアノード；を含み、アノードは亜鉛を含み、アノード及びアノード集電体は単層である。生物医学的装置はまた、ポリマー電解質を含んでもよく、電解質はポリ（フッ化ビニリデン）を含む。いくつかの実施例では、ポリマー電解質は亜鉛イオンを含む。いくつかの実施例では、電池は二酸化マンガンを含み、いくつかの実施例では、二酸化マンガンカソードは、ジェットミル粉砕された電解二酸化マンガンを含む。電池は、ポリ（フッ化ビニリデン）及びカーボンブラックなどのポリマーバインダ及び充填剤を含む二酸化マンガンから作製されるカソードスラリーから形成され得る。電池は亜鉛から形成されるアノードを有してよく、いくつかの実施例では、亜鉛は箔形態であり得る。

電池は、外部接点を作製するのに使用されない、９０パーセントを超える電池部分を囲む封入フィルム中に封止部を含み得る。これらの層と共に形成される場合、積層体構造は、電池の厚さが１ｍｍ未満となるような密封封止をともなって形成され得る。いくつかの実施例では、電池の厚さは５００マイクロメートル未満である。更なるいくつかの実施例では、電池の厚さは、２５０マイクロメートル未満である。

電池はシート中に形成されてよく、個別の電池がシートから切り抜かれるか、又は個片化され得る。いくつかの実施例では、切り抜かれた電池の形状は曲線状であり得る。

一般的な態様の１つには、カソード集電体フィルムを得ることを含む電池を形成する方法を含み、カソード接触フィルムはチタンを含む。方法はまた、カソード集電体フィルムをカーボンコーティングでコーティングすることも含む。方法はまた、二酸化マンガンスラリーをカーボンコーティング上に堆積させることも含む。方法はまた、二酸化マンガン堆積物を乾燥させることも含む。方法はまた、イオン性構成要素を含むポリマー電解質を二酸化マンガン堆積物上に堆積させることも含む。電解質は、マンガン堆積物に積層化され得る。方法はまた、ポリマー電解質を乾燥させることも含む。方法はまた、アノード及びアノード集電体であり得るような亜鉛箔をポリマー電解質に積層化することも含む。方法はまた、生体適合性封入フィルムに、亜鉛箔、ポリマー電解質、二酸化マンガン堆積物、カソード集電体を封入することも含む。方法はまた、電池素子を個片化することを更に含む方法も含む。いくつかの実施例では、アノード集電体及びカソード集電体は、生物医学的装置の電気活性装置に取り付けられ得る。電池及び接続された電気活性装置は、生物医学的装置を形成する工程の一部として、第２生体適合性封入層中に封入され得る。

本発明の上述及び他の特徴と利点は、添付図面に例証されるような、本発明の好ましい実施形態の以下のより詳しい記載から明白となるであろう。
例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。 例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。 例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。 例示的なコンタクトレンズ用途に対応する生体適合性通電素子の例示的な態様を示す。 ポリマー電解質を含む例示的な電池セルを示す。 例示的なアノード及びカソード接続部を有する第１の独立型のパッケージ化された生体適合性通電素子を示す。 例示的なアノード及びカソード接続部を有する第２の独立型のパッケージ化された生体適合性通電素子を示す。 生物医学的装置における生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置における生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置における生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置における生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置における生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置における生体適合性通電素子を形成するための例示的な方法工程を示す。 本発明によるポリマー電解質で作製されるサンプルにおける例示的な電池の特性を示す。 本発明によるポリマー電解質で作製されるサンプルにおける例示的な電池の特性を示す。 本発明によるポリマー電解質で作製されるサンプルにおける例示的な電池の特性を示す。 本発明によるポリマー電解質で作製されるサンプルにおける例示的な電池の特性を示す。

本出願ポリマーでは、ポリマー一次電池を含む生体適合性電池を形成する及び使用する方法が開示される。ポリマー電解質は、封入部内に電池化学を含み、パッケージング又は封入部内に含まれる内部電池構成要素上の力を低減する能力が向上した電池を作製するのに重要な要素である。以下の各項において、様々な実施例の詳細な説明が記載される。実施例の説明は、単なる例示的な実施形態に過ぎず、当業者には、様々な修正及び変更が明白であり得る。したがって、例示的な実施形態は、本出願の範囲を制限するものではない。アノード配合物、及びこれらがその中に形成される構造体は、生体適合性電池において使用するように設計され得る。いくつかの実施例では、こうした生体適合性電池は、生物の身体内で、又はこれに近接して使用するために設計され得る。

生体適合性電池の性能において重要な必要性は、環境に対するこれらの電池の感度、特に環境における水分への感度に関する。このような方法によって、水性電解質配合物を有する電池は著しく感度が高くなり得る。場合によっては、封入方策によって水の移動が防止されない場合、水は電池から周囲環境に流出し得るため、結果として、電解質が乾燥し、内部抵抗などの電池性能要因に著しい影響を及ぼすことになる。いくつかの他の場合では、封入方策によって、少量であったとしても水が通過できる場合には、水は電池中に拡散し得る。これらの電池中への水の拡散の結果、電池性能に影響を及ぼす電解質が希釈され、電池本体が膨潤し、それによって、電池封入が破壊され著しい影響が及ぼされる可能性がある。ポリマー電池電解質を配合する方法は、水分などの物質の進入又は進出に対して比較的感受性が低い電池をもたらし得る。かかる改善によって、性能が向上し、及び／又は封止及び封入プロセスにおける要望が減少し得る。

環境に対して比較的感受性が低い電池をもたらすポリマー電解質を含む電池は、無感応電池などにおける基本的な必要性を超える多くの利点を有し得る。例えば、かかるポリマー電解質は、電解質が容易に漏出できないため、著しく生体適合性が改善され得る。並びに、生じた電解質、及びいくつかの実施例では、電解質によって形成されるセパレータは、生物医学的装置の加工において必要であり得る（例えば、オーバーモールドに必要な高温及び低圧）後続加工工程に対してより弾性が高くなり得る。これらの特性を有するポリマー系電解質を形成する多くの方法が存在する。

用語集
本説明及び以下の特許請求の範囲において、以下の定義が適用される様々な用語が使用され得る。
本明細書で使用するとき、「アノード」は、そこを通って電流が有極電気装置に流れ込む電極を指す。電流の方向は、典型的に、電子流の方向とは逆である。換言すれば、電子は、例えば、アノードから電気回路に流入する。

本明細書で使用するとき、「結合剤」は、機械的変形に対する弾性応答を呈することができ、他の通電素子部品と化学的に適合するポリマーを指す。例えば、結合剤としては、電気活物質、電解質、ポリマーなどを挙げることができる。

本明細書で使用される場合、「生体適合性」とは、特定の用途において適切な宿主応答で機能する材料又はデバイスを指す。例えば、生体適合性装置は、生体系に毒性又は有害な影響を及ぼさない。

本明細書で使用するとき、「カソード」とは、電極を指し、電流は、この電極を通って有極電気装置（デバイス）から流れ出る。電流の方向は、典型的に、電子流の方向とは逆である。したがって、電子流は有極電気装置のカソードに流入し、例えば、接続された電気回路から流出する。

本明細書で使用するとき、「被覆（コーティング）」は、材料の薄型堆積物（薄い形態での材料の付着）を指す。いくつかの用途では、この用語は、堆積物が形成される基板の表面を実質的に被覆する、薄型堆積物を指す。他のより特定の用途では、この用語は、表面のより小さい領域内にある小さい薄型堆積物を説明するために使用されてよい。

本明細書で使用するとき、「電極」は、エネルギー源内の活物質を指し得る。例えば、電極は、アノード及びカソードの一方又は両方を含んでもよい。

本明細書で使用するとき、「通電された」とは、電流を供給することができるか、又は内部に蓄積された電気的エネルギーを有することができる状態を指す。

本明細書で使用するとき、「エネルギー」とは、ある物理系が仕事をする能力のことを指す。通電素子の多くの用途は、電気的作用を実行できる能力に関連するものであってよい。

本明細書で使用するとき、「エネルギー源」又は「通電素子」又は「通電装置」は、エネルギーを供給できるか、論理装置又は電気装置を通電された状態にすることができる、任意の装置又は層を指す。通電素子は、電池を含み得る。電池は、アルカリ型セル化学物質で形成されてよく、固体電池又は湿電池であってよい。

本明細書で使用するとき、「充填剤」は、酸性電解質又はアルカリ性電解質のいずれとも反応しない、１つ又は２つ以上の通電素子用セパレータを指す。一般的に、充填剤は、カーボンブラックなどの実質的に非水溶性である物質；粉炭；黒鉛；シリコン、アルミニウム、カルシウム、マグネシウム、バリウム、チタン、鉄、亜鉛、及びスズなどの金属酸化物及び水酸化物；カルシウム及びマグネシウムなどの金属炭酸塩；雲母、モンモリロナイト（montmorollonite）、カオリナイト、アタパルジャイト、及びタルクなどの鉱物；ポルトランドセメントなどの合成及び天然ゼオライト；ケイ酸カルシウムなどの沈降金属ケイ酸塩；中空又は固体ポリマー又はガラス微小球、フレーク及び繊維；などを含み得る。

本明細書で使用するとき、「機能化」は、例えば、通電、起動、又は制御などの機能を、層又は装置が実行できるようにすることを指す。

本明細書で使用するとき、「成形型」は、未硬化配合物（アンキュア・フォーミュレーション）から三次元の物体を形成するために使用され得る、剛性又は半剛性の物体を指す。いくつかの例示的な成形型は、互いに対向する場合、三次元の物体の構造を画定する２つの成形型部分を含む。

本明細書で使用するとき、「電力」は、単位時間当たりに行われる仕事、又は移送されるエネルギーを指す。

本明細書で使用するとき、「再充電可能」又は「再通電可能」は、仕事をするためのより高い能力を有する状態へと復元される能力を指す。多くの使用は、特定の再度確立された期間、特定の率で、電流を流す能力で復元できることに関連し得る。

本明細書で使用するとき、「再通電」又は「再充電」は、仕事をするためのより高い能力を有する状態へと復元することを指す。多くの場合、特定の再開された時間、特定の率で電流を流すことができる状態に装置を復元することに関連して用いられ得る。

本明細書で使用するとき、「離型させる」（「成形型から離型させる」と言われることもある）は、三次元の物体が成形型から完全に分離した状態、又は穏やかな振動によって取り外すことができるように、ほんの軽く成形型に取り付けられている状態。のいずれかであることを意味する。

本明細書で使用するとき、「積層された」は、少なくとも２成分層を、層のうちの１層の１つの面の少なくとも一部分が、第２の層の第１の面と接触するように、互いに近接して配置することを意味する。いくつかの実施例では、接着のためであれ、又は他の機能のためであれ、コーティングが２つの層の間に存在し、これらの層はそのコーティングを通じて互いに接触している。

本明細書で使用するとき、「トレース」は、回路部品を接続できる通電素子部品を指す。例えば、回路トレースは、基板がプリント回路基板である場合、銅又は金を含むことができ、典型的には、フレックス回路内の銅、金、又は印刷された膜であり得る。特殊な種類の「トレース」は、集電体である。集電体は電気化学的適合性を有するトレースであり、この電気化学的適合性により、集電体は、電解質の存在下でアノード又はカソードとの間で電子を伝達する際に使用するのに適したものとなる。

本明細書に示される方法及び装置は、平面状又は三次元の生体適合性装置内又はその上に含めるための生体適合性通電素子を形成することに関する。特定分類の通電素子は、層状に製造される電池であってよい。層は、積層として分類され得る。このようにして形成された電池は、薄層電池に分類され得る。

本開示による電池を組み立てて構成する方法には他の例が存在する場合があり、そのうちのいくつかを以下の項に記載することができる。しかしながら、これら実施例の多くに関して、独自のものとして説明することができる、電池の選択されたパラメータ及び特徴が存在する。以下の項では、いくつかの特徴及びパラメータに焦点が当てられる。

生体適合性通電素子を有する例示的な生物医学的装置の構成
本発明の通電素子である電池を組み込むことができる生物医学的装置の例は、焦点を調節する電気活性のコンタクトレンズであり得る。図１Ａを参照すると、このようなコンタクトレンズのインサートの一例が、コンタクトレンズのインサート１００として図示され得る。このコンタクトレンズのインサート１００には、電圧制御に応答して焦点特性の変化を調整することができる電気活性素子１２０が存在し得る。こうした制御用電圧信号を提供し、かつ、外部制御信号の環境感知を制御するなどの他の機能も同様に提供する回路１０５は、生体適合性電池素子１１０によって給電されることができる。図１Ａに図示されるように、電池素子１１０は、複数の主要部品（この場合３個の部品）として見出すことができ、既に述べた電池化学素子の種々の構成を含んでいてよい。電池素子１１０は、相互接続領域１１４の下に描くことができる部品を結合するための、様々な相互接続特徴部を有し得る。電池素子１１０は、それ自体の基板１１１を有していてよい回路素子に接続されてよく、基板１１１上には相互接続特徴部１２５が位置していてよい。集積回路の形態であってよい回路１０５は、基板１１１及びその相互接続特徴部１２５と電気的及び物理的に接続されることができる。

図１Ｂを参照すると、コンタクトレンズ１５０の断面のレリーフ図は、コンタクトレンズのインサート１００及び論じられているその構成要素とを含み得る。コンタクトレンズのインサート１００は、コンタクトレンズヒドロゲル１５５のスカート内に封入され得、このスカートはインサート１００を封入し、かつコンタクトレンズ１５０とユーザーの目との快適な境界面を提供してよい。

本開示の概念を参照すると、電池素子は、図１Ｃに示されるような二次元形態に形成されてもよい。この図では、電池構成要素１６５の領域内の電池セルの２つの主要な領域と、電池化学素子１６０の領域内の第２の電池構成要素とが存在し得る。図１Ｃに平型形状で示されている電池素子は、回路素子１６３に接続されていてよく、図１Ｃの例においてこの素子は、２つの主要回路領域１６７を含み得る。回路素子１６３は、電気接点１６１及び物理的接点１６２において電池素子に接続することができる。平面構造は、本発明において既に説明したように三次元円錐構造に折り畳まれてもよい。このプロセスでは、第２の電気接点１６６及び第２の物理的接点１６４を使用して、三次元構造を接続し物理的に安定化することができる。図１Ｄを参照すると、この三次元円錐構造１８０を示す図を見ることができる。物理的及び電気接触点１８１もまた見ることができ、この図は、得られた構造体の三次元表示と見なすことができる。この構造体は、レンズインサートと共に生体適合性装置に組み込まれる、モジュール化された電気及び電池構成要素を含んでいてよい。コンタクトレンズの実施例によって、生体適合性電池がどのように生物医学的装置中で使用され得るかが示されているが、この実施例は限定されるものではなく、電子的に活性なピル、ステント、スキンタッグ及び包帯、歯科インプラント、着用可能な電子装置及び電子的に活性な衣料品及び靴品などの多くの他の生物医学的装置は、本開示の生体適合性ポリマー電解質電池が用いられ得る場合、生物医学的装置の非限定例であり得る。

平面型ポリマー電解質電池の実施例
図２を参照すると、平面型ポリマー電解質電池の一例が、断面図で図示されている。本開示の以下において、これらのアセンブリにおける構成要素及び方法が後述されるが、断面図は、電池構成要素がポリマー電解質一次電池においてどのように構造化されているかを例示している。電池は、カソード領域、アノード領域、セパレータ及び電解質領域及び封入部を有し得る。カソード集電体２２０は、装置の基部を形成し得る。カソード集電体２２０は、チタン、黄銅、ステンレス鋼などの物質から形成される導電性金属片であり得る。カソード集電体２２０は、表面結合を向上させ、抵抗を低下させるために様々なコーティングで被覆されてよく、カーボンコーティングが一般的に使用される。カソード集電体２２０の一部分は、封入部２８０から露出し、カソード集電体接点２１０を形成してもよい。セル内部で使用される表面コーティングは、この領域に堆積されないか、あるいは有効な外部接点とするために除去され得る。表面コーティングはまた、例えば、銀エポキシ、はんだ、フラックスなどであり、セルの外側のカソード集電体接点２１０に適用され、接続を改善することができる。カソード２３０は、カソード集電体２２０上に形成され得る。カソード２３０は、非限定的な意味で、ＭｎＯ_２のような電気活性カソード化学、並びに結合剤、電解質、及び他の添加物などの多くの構成要素を含み得る。

ポリマー電解質２４０は、カソード上に形成され得る。いくつかの実施例では、電解質は、カソード又はアノードの上面にコーティングされ得る。他の実施例では、電解質は、スクリーン印刷法又はディップコーティング法で塗布され得る。ポリマー電解質２４０を塗布する多くの方法が存在し得る。ポリマー電解質２４０はまた、電池装置のセパレータとしても機能し得る。

ポリマー電解質２４０の反対面には、アノード２５０が存在し得る。アノード２５０は、ポリマー電解質２４０に貼着される堆積フィルム、ペースト、箔又は固体フィルムであり得る。カソード２５０は、カソード集電体２６０に接続され得る。アノード集電体２６０の一部分は、封入部２８０を越えて延在し、アノード集電体接点２７０を形成する。図示される例示的な構造を形成する多くの方法が存在し、工程の順序は変更し得るため、フィルムは別の層上で形成され得るものとして説明することができるが、その順序は逆転されてもよいと想定され得る。更には、いくつかの要素は任意に除去されてよく、例えば、いくつかの実施例では、アノード集電体２６０はアノード２５０と同じ層であり得る。

カスタム形状の平型電池素子
生体適合性電池のいくつかの実施例では、電池は平型素子として形成されてもよい。図３Ａを参照すると、電池素子の矩形の輪郭３１０の例は、アノード接続部３１１及びカソード接続部３１２と共に図示され得る。図３Ｂを参照すると、電池素子の円形の輪郭３３０の例は、アノード接続部３３１及びカソード接続部３３２と共に図示され得る。

平型に形成された電池のいくつかの例では、電池形状の輪郭は、カスタム製品に合うように、三次元的及び幾何学的に構成され得る。矩形又は円形の輪郭の実施例に加えて、「自由形態」又は「自由形状」のカスタム輪郭を形成してもよく、これにより、電池の構成を、所与の製品内に収まるように最適化することが可能となり得る。

可変光学素子の例示的な生物医学的装置の場合、平型輪郭の「自由形態」の例は、弓状形態であり得る。自由形態とは、三次元形状に形成されたときに、コンタクトレンズの制限領域内にフィットする円錐形環状スカートの形態をとるような幾何学的形状であり得る。医療用装置が二次元又は三次元形状という限定的要件を有する場合には、同様の有利な幾何学的形状が形成されてもよいことは明らかであり得る。

超小型電池の電気的要件
設計の際に考慮すべき別の分野は、電池によって提供され得る、装置の電気的要件に関する場合がある。適切な電池は、医療用装置の電源として機能するために、システムが非接続モード又は外部給電されていないモードで動作しているときの全ての電気的要件を満たす必要があり得る。接続されない又は外部給電されない生物医学的装置の新興分野は、例えば、視力矯正コンタクトレンズ、健康状態監視装置、ピルカメラ、及び新型装置を含むことができる。集積回路（ＩＣ）技術における近年の進歩により、非常に低い電流レベル（例えば、ピコアンペアの待機電流及びマイクロアンペアの動作電流）での有意義な電気的操作が可能となり得る。ＩＣ技術は、微小装置を可能にすることもできる。

生物医学的用途用の超小型電池は、多くの困難な要件を同時に満たすことが要求される場合がある。例えば、超小型電池は、組み込まれている電気回路に適した動作電圧を供給する能力を有することが要求される場合がある。この動作電圧は、ＩＣプロセス「ノード」、回路から別の装置への出力電圧、及び特定の消費電流目標値（これは、所望の装置寿命にも関連する場合がある）などのいくつかの要因の影響を受け得る。

ＩＣプロセスに関して、ノードは、トランジスタにおける「いわゆる」チャネルなどの、トランジスタの最小特徴部寸法によって区別され得る。この物理的特徴部は、他のＩＣ製造パラメータ（ゲート酸化膜厚など）と共に、所与のプロセスノードに製造された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の、得られる「ターンオン」時定格標準、又は「閾値」電圧と関連付けることができる。例えば、最小特徴寸法が０．５マイクロメートルのノードでは、ＦＥＴのターンオン電圧は５．０Ｖであることが通常であり得る。しかしながら、９０ｎｍの最小特徴寸法では、ＦＥＴは、１．２、１．８、及び２．５Ｖでターンオンし得る。ＩＣファウンドリは、特定の電圧範囲にわたって使用するためにキャラクタライズされ、定格化されているデジタルブロック（例えば、インバータ及びフリップフロップ）の標準セルを供給することができる。設計者は、デジタル素子の密度、アナログ／デジタル混合信号素子、リーク電流、配線層、及び高圧ＦＥＴのような特殊素子のアベイラビリティといったいくつかの要因に基づいて、ＩＣプロセスノードを選択する。超小型電池から電力を引き出すことができる電気部品のこうしたパラメータに関する側面を前提として、超小型電池の電源を、特に利用可能な電圧及び電流の点で、選択したプロセスノード及びＩＣ設計の要件に一致させることが重要となり得る。

いくつかの例では、超小型電池により給電される電気回路は、他の装置に接続されてもよい。非限定的な例において、超小型電池により給電される電気回路は、作動装置又は変換器に接続されてもよい。こうした装置としては、用途に応じて、発光ダイオード（ＬＥＤ）、センサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ポンプ、又は多くの他のこのような装置を挙げることができる。いくつかの例では、このような接続される装置は、一般的なＩＣプロセスノードよりも高い動作電圧を必要とし得る。例えば、可変焦点レンズは、起動するために３５Ｖを必要とし得る。したがって、電池が提供する動作電圧は、そのようなシステムを設計する上での重要な考慮事項となり得る。この種の考慮事項のいくつかの例では、１Ｖの電池から３５Ｖを生成するレンズ駆動装置の効率は、２Ｖの電池で動作する場合に得られるであろう効率と比べて明らかに低い。ダイ寸法などの更なる要件も、超小型電池の作動パラメータを考慮すると、著しく異なる場合がある。

個々の電池セルは、一般的に、開回路電圧、負荷時電圧、及びカットオフ電圧が規定される。開回路電圧は、負荷抵抗が無限大の状態の電池セルによって生成される電位である。負荷時電圧は、適切かつ通常の規定負荷インピーダンスがセル端子間に加えられた状態でセルによって生成される電位である。カットオフ電圧は、典型的には、ほとんどの電池が放電された状態となる電圧である。カットオフ電圧は、有害な影響（過剰なガスの発生など）を回避するために、それ以下になると電池が放電されるべきではない電圧、又は放電度合いを表すことができる。カットオフ電圧は、典型的には、電池自体だけでなく、電池が接続されている回路（例えば、電子回路の最小動作電圧）の影響を受け得る。１つの実施例では、アルカリ電池は、１．６Ｖの開回路電圧、１．０〜１．５Ｖの範囲の負荷時電圧、及び１．０Ｖのカットオフ電圧を有し得る。所与の超小型電池セル設計の電圧は、採用するセル化学物質の他の要因により異なる場合がある。したがって、異なるセル化学物質は、異なるセル電圧を有してよい。

セルは、電圧を上昇させるために直列につながれるが、この組み合わせでは、寸法、内部抵抗、及び電池の複雑性をトレードオフする可能性がある。セルはまた、抵抗を減少させ容量を増加させるために、並列配置にも組み込まれ得るが、かかる組み合わせは、寸法及び有効寿命をトレードオフする可能性がある。

電池容量は、電池が一定期間の間電流を供給する、又は仕事を行う能力であってよい。電池容量は、典型的には、ピコアンペア時間などの単位で指定することができる。１ピコアンペアの電流を１時間供給することができる電池は、１ピコアンペア時間の容量を有する。容量は、典型的には、電池装置内の反応物の質量（及びつまりは容積）を増加させることによって増加し得るが、生物医学的装置は、利用可能な容積に著しく制約を受け得る。電池容量はまた、電極及び電解質材料の影響を受け得る。

電池が接続される回路の要件に応じて、電池は、ある値の範囲にわたる電流を流入させることを要求される場合がある。実際に使用する前の保管中、約ピコアンペア〜ナノアンペア程度のリーク電流が、回路、相互接続部、及び絶縁体を通って流れる場合がある。回路は、アクティブ動作中、センサをサンプリングする、タイマーを動作させる、及びそのような低消費電力機能を実行するために、零入力電流を消費し得る。零入力電流消費は、ナノアンペアからミリアンペア程度であり得る。回路はまた、例えば、フラッシュ・メモリに書き込む又は無線周波数（ＲＦ）で通信する場合に、より大きなピーク電流を要求してもよい。このピーク電流は、数十ミリアンペア以上に及んでもよい。超小型電池装置の抵抗及びインピーダンスもまた、設計考慮事項にとって重要であり得る。

有効寿命は、典型的には、電池が保管に耐え、かつ依然として有用な作動パラメータを維持することができる期間を指す。有効寿命は、いくつかの理由から、生物医学的装置にとって特に重要であり得る。電子素子は、例えば、電子コンタクトレンズが導入される場合のように、無動力の装置に取って代わる可能性がある。こうした既存の市場空間における製品は、消費者、サプライチェーン、及びその他の要件に起因して、確立された有効寿命要件（例えば、３年）を有している場合がある。そのような規格は通常、新しい製品のために変更されないことが望ましくあり得る。有効寿命要件はまた、超小型電池を有する装置の流通方法、在庫管理方法、及び使用方法に従って設定されてもよい。したがって、生物医学的装置用超小型電池は、例えば年数で表すことができる具体的な有効寿命要件を有していてもよい。

いくつかの実施例では、三次元の生体適合性通電素子は再充電可能であってよい。例えば、三次元表面上には、更に誘導コイルが製造されていてもよい。次いで、誘導コイルは、無線周波数（「ＲＦ」）フォブで通電されてもよい。誘導コイルは、三次元の生体適合性通電素子に接続されて、ＲＦが誘導コイルに印加されると通電素子が再充電されてよい。別の例では、太陽電池もまた三次元表面上に製造され、三次元の生体適合性通電素子に接続されてよい。太陽電池が光、つまり光子に曝露されると、電子を生じさせて、通電素子を再充電する。

いくつかの例では、電池は、電気システムに電気的エネルギーを供給する働きをしてもよい。こうした例では、電池は、電気システムの回路に電気的に接続されてよい。回路と電池との間の接続は、相互接続に分類され得る。こうした相互接続は、いくつかの要因により、生物医学超小型電池にとってますます困難になっている。いくつかの例では、電動式生物医学的装置は非常に小さいので、相互接続のための面積及び容積がほとんどない場合がある。寸法及び面積の制約は、相互接続部の電気抵抗及び信頼性に影響を与え得る。

その他の点において、電池は、高温で沸騰し得る液体電解質を収容していてもよい。この制約は、例えば、溶融するために比較的高温（２５０℃）を必要とし得るはんだ相互接続を用いたいという要望と、直接的に相克する。しかしながらいくつかの例では、電解質を含む電池化学物質と、はんだベースの相互接続を形成するために使用する熱源とは、互いに空間的に隔てられてもよい。新たに登場した生物医学的装置の場合、寸法が小さいことから、熱伝導を低減するために電解質とはんだ接合部とを十分な距離だけ隔てることが不可能であり得る。

相互接続
相互接続により、外部回路と接続された電池との間を電流が流れることができてもよい。そのような相互接続は、電池の内部環境及び外部環境と接続することができ、これら環境の間の境界又は封止を越えることができる。こうした相互接続は、外部回路との接続を形成し、電池封止材を通過した後、電池内の集電体と接続するトレースと見なすことができる。そのため、こうした相互接続はいくつかの要件を有し得る。電池外部において、相互接続は、典型的なプリント回路トレースに類似していてもよい。トレースは他のトレースとはんだ付けされるか、ないしは別の方法で接続されてよい。一例では、電池が、集積回路を含む回路基板とは別の物理的要素である場合、電池相互接続により外部回路との接続が可能となり得る。この接続は、はんだ付け、導電性テープ、導電性インク若しくは導電性エポキシ、又は他の手段で形成されてもよい。相互接続トレースは、電池外部の環境に耐える（例えば、酸素の存在下で腐食しない）必要があり得る。

相互接続部は電池封止材を貫通するので、相互接続が封止材と共存し、かつ封止を可能にすることが非常に重要であり得る。封止材と電池パッケージとの間で必要となり得る接着に加えて、封止材と相互接続部との間の接着が必要となり得る。電池内部の電解質及び他の材料の存在下では、封止完全性が維持される必要があり得る。相互接続部は、典型的には金属性であり、電池パッケージングの破損点として知られている場合がある。電位及び／又は電流の流れにより、電解質が相互接続部に沿って「クリープ」する傾向が増大する場合がある。したがって、相互接続は、封止完全性を維持するように設計する必要があり得る。

電池内部において、相互接続は、集電体と相互作用してもよく、又は集電体を実際に形成してもよい。この点で、相互接続は、本明細書に記載する集電体の要件を満たす必要があり得、又は、かかる集電体と電気的接続を形成する必要があり得る。

相互接続部及び集電体の候補となる１つの分類は、金属箔である。そのような金属箔は、２５マイクロメートル以下の厚さで利用可能であり、この厚さにより金属箔は、非常に薄型の電池に適したものとなる。そのような箔はまた、低表面粗さ及び低汚染の状態で得ることができ、これら２つの要素は電池性能にとって重要であり得る。箔としては、亜鉛、ニッケル、黄銅、銅、チタン、他の金属、及び種々の合金を挙げることができる。

モジュール化された電池構成要素
いくつかの例では、モジュール化された電池構成要素は、本発明のいくつかの態様及び実施例に従って形成され得る。こうした実施例では、モジュール化された電池アセンブリは、生物医学的装置の他の部品とは別個の構成要素であってよい。眼科用コンタクトレンズ装置の実施例では、かかる設計は、媒体インサートの残りの部分から分離された、モジュール化された電池を有してもよい。モジュール化された電池構成要素を形成することによる利点は数多く存在し得る。例えば、コンタクトレンズの実施例では、モジュール化された電池構成要素は、別個の非一体的なプロセスで形成され、それにより、三次元に形成された剛性光学樹脂部品を処理する必要性が軽減され得る。加えて、複数の供給メーカーをよりフレキシブルに選択することができ、この複数の供給メーカーは、生物医学的装置内部の他の部品の製造とより平行したやり方で、作業を行うことが可能である。更に、モジュール化された電池構成要素の製造を、三次元（３Ｄ）形状に成形される装置の特徴と切り離すことができる。例えば、最終的に三次元形態である必要がある用途では、モジュール化された電池システムは、平坦に、又はおおよそ二次元的（２Ｄ）全体像で製造された後、適切な三次元形状に成形されてもよい。モジュール化された電池構成要素は、残りの生物医学的装置とは独立に試験することができ、また、電池構成要素は組み立て前に選別される場合があるので、ロスが生じる場合がある。生じたモジュール化された電池構成要素は、電池構成要素が形成される適切な剛性領域を有さない様々な媒体インサート構造体で用いられてよく、また更なる実施例では、モジュール化された電池構成要素を使用することで、作製技術において、ウェブに基づく技術（ロールツーロール）、シートに基づく技術（シートツーシート）、印刷、リソグラフィ、及び「スキージ」加工などの、異なる手段を使用することが促進される。モジュール化された電池のいくつかの実施例では、かかる装置は個別に収容されるという側面を有するので、生物医学的装置の構造全体に追加材料が加えられることになり得る。そうした影響は、利用可能な空間パラメータが溶液の最小の厚さ及び容積を必要とする場合に、モジュール化電池溶液の使用に制約を課する場合がある。

電池の形状要件は、少なくとも一部には、電池を使用する用途によって決定されてもよい。従来の電池形状因子は、金属で製造された円筒形又は四角柱であり得、長期間にわたり大量の電力を必要とする製品を対象にしている場合がある。こうした用途は、形状因子の大きい電池を含むことができる程度に十分に大きくてもよい。別の実施例では、平型（２Ｄ）固体電池は薄い四角柱であり得、典型的には非可撓性のシリコン又はガラス上に形成される。こうした平型固体電池は、いくつかの例では、シリコンウェハ加工技術を用いて形成され得る。電池形状因子の別の種類では、低出力のフレキシブル電池は、薄箔又はプラスチックを使用して袋状構造物に形成されて、電池化学物質を封じ込めることができる。こうした電池は平型（２Ｄ）とすることができ、緩やかな面外（３Ｄ）湾曲状に曲げられたときに機能するように設計され得る。

電池が可変視覚レンズ内で使用され得る本発明の電池用途例のいくつかにおいて、形状因子は、電池構成要素の三次元的な湾曲を必要とする場合があり、この湾曲の曲率半径は約８．４ｍｍ程度であり得る。そのような湾曲特性は比較的急であると考えることができ、参考までに、ヒトの指先に見られるタイプの湾曲に近似し得る。比較的急な湾曲特性により、製造側面において課題が生じる。本発明のいくつかの実施例では、モジュール化された電池構成要素は、平坦で二次元的に製造された後、比較的曲率の高い三次元形態に形成されるように設計され得る。

電池モジュールの厚さ
生物医学的用途用の電池構成要素を設計する際には、様々なパラメータの兼ね合いを図って、技術的な要件と、安全要件と、機能要件とのバランスをとってもよい。電池構成要素の厚さは、重要かつ制約的なパラメータであり得る。例えば、光学レンズ用途では、ユーザーが快適に装着できる装置の能力は、生物医学的装置全体の厚さにクリティカルな依存を有し得る。したがって、電池をより薄く設計する際のクリティカルで実現可能な側面が存在し得る。いくつかの例では、電池の厚さは、上部シートと、底部シートと、スペーサシートを合わせた厚さ、及び接着剤層の厚さによって決定されてもよい。実際の製造態様は、膜厚のある種のパラメータを、使用可能なシート在庫の標準値に決定してもよい。加えて、フィルムは、厚さの最小値を有していてもよく、化学的適合性、湿気／ガス不透性、表面仕上げ、及びフィルム層上に堆積させることができるコーティングとの適合性に関する技術的考慮事項に基づき、フィルムをこの値に特定してもよい。

いくつかの例では、完成した電池構成要素の望ましい又は目標とする厚さは、２２０μｍ未満である構成要素厚であってよい。こうした例では、この望ましい厚さは、エンドユーザーの快適性、生体適合性、及び容認に関する制約を前提として、ヒドロゲルレンズ形状によって規定される利用可能な容積内部に電池構成要素を挿着する必要があり得る、例示的な眼用レンズ装置の三次元形状によって決定され得る。この容積及びこの容積が電池構成要素の厚さの必要性に与える影響は、装置全厚に関する仕様、並びに装置の幅、円錐角、及び内径に関する装置仕様の関数であってよい。得られる電池構成要素の設計に関する別の重要な設計考慮事項は、結果として得られる化学エネルギー（これは設計に起因し得る）に関してなされる電池構成要素の所与の設計において、活性電池化学物質及び材料が使用可能な容積に関連し得る。次いで、この結果として得られる化学エネルギーと、機能的生物医学的装置の、目標寿命及び動作条件に関する電気的要件とのバランスをとってもよい。

電池モジュールの可撓性
電池の設計、及び電池をエネルギー源として利用する関連装置の設計と関係する別の側面は、電池構成要素の可撓性である。可撓性の電池形態によって与えられる利点は数多く存在し得る。例えば、可撓性の電池モジュールは、電池形態を二次元（２Ｄ）平面形態に形成するという前述の能力を容易にすることができる。形態の可撓性により、二次元の電池を、後に、コンタクトレンズなどの生物医学的装置内にフィットする適切な３Ｄ形状に形成することが可能となり得る。

電池モジュールの可撓性により得ることができる利益の別の例において、電池及びそれに続く装置が可撓性である場合には、装置の使用に関連した利点が存在し得る。一例では、コンタクトレンズの形態の生物医学的装置は、媒体インサートベースのコンタクトレンズの挿入／取り外しが、非充填型の標準的なヒドロゲルコンタクトレンズの挿入／取り外しに近い場合があるという利点を有し得る。

曲げ回数は、電池のエンジニアリングにとって重要であり得る。例えば、平面形態からコンタクトレンズにとって好適な形状へと１回だけ曲がることができる電池は、複数回曲がることができる電池と有意に異なる設計を有し得る。電池の曲げが、曲げ事象を機械的に乗り越える能力を超える場合もある。例えば、電極は、破損せずに物理的に曲げ可能であり得るが、電極の機械的及び電気化学的特性は、曲げにより変化する場合がある。曲げによって誘発される変化は、例えば、インピーダンスへの変化としてすぐに現れる場合もあり、又は、曲げは、長期に及ぶ有効寿命試験においてのみ明らかとなる変化を誘発する場合もある。

電池モジュールの幅
本発明の生体適合性通電素子又は電池をその中で使用することができる多くの用途が存在し得る。広くは、電池の幅の要件は、主に、電池が適用される用途に応じて異なり得る。例示的なケースとして、コンタクトレンズの電池システムは、モジュール式電池構成要素の幅に関する仕様に対する、制約付きニーズを有し得る。装置が電池構成要素により給電される可変光学機能を有する眼科用装置のいくつかの例では、装置の可変光学部分は、直径約７．０ｍｍの中央球面領域を占めてもよい。例示的な電池素子は、中央光学系の周囲に環円錐状スカートとしてフィットする三次元物体と考えることができ、切頭円錐状のリングに形成されることができる。必要とされる剛性インサートの最大直径が直径８．５０ｍｍであり、ある特定の直径（例えば、おおよそ直径８．４０ｍｍ）の球体に接触することが目標であり得る場合には、形状が電池の可能な許容幅を決定し得る。得られる形状の望ましい仕様を計算するのに有用であり得る形状モデルが存在してもよく、これは、いくつかの例では、円環の扇形になるように平坦化された円錐台と呼ばれる場合もある。

平坦化された電池の幅は、電池素子の２つの特徴である活性電池構成要素及び封止幅によって決定され得る。眼科用装置に関連したいくつかの例では、ターゲット厚は、片面当たり０．１００ｍｍ〜０．５００ｍｍであってもよく、活性電池構成要素のターゲット幅はおよそ０．８００ｍｍであってもよい。他の生物医学的装置は異なる設計制約を有していてもよいが、可撓性平型電池素子の原理を同じように適用することが可能である。

電池素子の内部封止
ポリマー電解質電池の実施例において、電池本体への水分又は他の化学物質の移動を遅らせる又は防止する封止機構を組み込むことが重要であり得る。防湿バリアは、内部の水分レベルを、ある程度の許容差範囲内で、設計されたレベルに維持するように設計され得る。いくつかの実施例では、防湿バリアは２つのセクション又は構成要素（即ち、パッケージと封止材）に分割されてもよい。ポリマー電解質は、外部領域からポリマー電解質への任意の水分の漏入による影響が最小であるという本質的な利点を有し、いくつかの実施例では、電池性能を更に向上させ得る。したがって、パッケージング要件の重要性は、ポリマー電解質電池にとって本質的に低減される可能性がある。

にもかかわらず、パッケージは、エンクロージャの主要材料と呼ぶことができる。いくつかの例では、パッケージはバルク材を含んでもよい。水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）は性能を表す指標であってよく、試験中に影響を与える環境条件を含む試験手順は、ＩＳＯ、ＡＳＴＭ規格により制御される。理想的には、良好な電池パッケージの水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）は「ゼロ」であり得る。水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）がゼロに近い例示的な材料は、ガラス及び金属箔であり得る。一方で、プラスチックは、本質的に、水分に対して浸透性であり得、プラスチックの種類によって有意に異なり得る。エンジニアリングされた材料、積層体、又は共押出物は、通常、一般的なパッケージ材料の混成物であってよい。

封止部は、２つのパッケージ表面間の境界面であってよい。封止部の表面を接続することにより、パッケージと共にエンクロージャを仕上げる。多くの例において、封止設計の特性により、封止部の水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）の特性評価が困難である場合があり、その理由は、サンプルの寸法又は表面積がこうした手順に適合しない場合があるので、ＩＳＯ又はＡＳＴＭ規格を用いて測定を行うのが困難であることによる。いくつかの例では、封止完全性を試験するための実践的な方法は、実際の封止設計の、いくつかの定義された条件についての機能試験であり得る。封止性能は、封止材料、封止厚、封止長、封止幅、及びパッケージ基材に対する封止部の接着又は密着性の関数であり得る。

いくつかの例では、封止部は、熱加工、レーザー加工、溶媒加工、摩擦加工、超音波加工、又はアーク加工を含み得る溶接法によって形成されてもよい。他の例では、封止部は、接着剤、エポキシ、アクリル、天然ゴム、及び合成ゴムなどの接着封止剤を使用して形成されてもよい。他の例では、ガスケットタイプの材料を利用することにより得てもよく、該材料は、非限定的な例を挙げると、コルク、天然及び合成ゴム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン、及びシリコーンから形成され得る。

いくつかの例では、本発明による電池は、特定の動作期間を有するように設計されてもよい。作動期間は、特定の電池システムを用いて得ることができる実際の水分透過量を測定した後、そのような水分の漏れがいつ電池の寿命末期状態をもたらし得るのかを推定することによって、推定することができる。

生体適合性電池モジュールのパッケージ及び基板に関する更なる考慮事項
パッケージング及び基板に関する考慮事項は数多く存在し得、そうした考慮事項が、生体適合性超小型層状電池で用いられるパッケージ設計の望ましい特性を決定する。例えば、パッケージングは、主に箔及び／又は膜ベースであるのが望ましくあり得、パッケージング層は極力薄くてもよい（例えば、１０〜５０μｍ）。加えて、パッケージングは、有効寿命中の水分の得失に対する十分な拡散バリアを提供することができる。多くの望ましい実施例において、パッケージングは、酸素の侵入に対する十分な拡散バリアを提供して、直接酸化による亜鉛アノードの劣化を最小限に抑えることができる。

いくつかの実施例では、パッケージングは、亜鉛による水の直接還元により放出される水素ガスに対する有限透過経路を提供することができる。また、パッケージングは、電池の内容物を十分に封じ込めることができ、かつこれを隔離することができるのが望ましく、それにより、ユーザーへの暴露の可能性を最小限にすることができる。

本発明において、パッケージング構造体は、以下の種類の機能構成要素、即ち、上部及び底部パッケージング層、感圧接着剤（ＰＳＡ）層、スペーサ層、相互接続ゾーン、充填ポート、並びに二次パッケージング、を含み得る。

いくつかの実施例では、上部及び底部パッケージング層は、金属箔又はポリマー膜を含み得る。上部及び底部パッケージング層は、複数のポリマー及び／又はバリア層を含む多層膜構造体を含み得る。そうした膜構造体は、共押出バリア積層膜と呼ぶことができる。本発明において特に有用な市販の共押出バリア積層膜の例は、３Ｍ（登録商標）Ｓｃｏｔｃｈｐａｋ １１０９裏材であり得、該裏材は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）キャリアウェブ、蒸着アルミニウムバリア層、及びポリエチレン層からなり、合計平均膜厚さは３３マイクロメートルである。数多くの他の同様の多層バリア膜を利用することができ、本発明の代替の実施例において使用することができる。

ＰＳＡを含む設計構造体では、ＰＳＡはパッケージング層の対向面を封止する必要もあり得るので、パッケージング層の表面粗さは特に重要となり得る。表面粗さは、箔及び膜の製造で用いる製造プロセス（例えば、中でも、圧延、押出、エンボス加工、及び／又はカレンダー工法を用いるプロセス）によって生じる場合がある。表面が粗すぎる場合、所望のＰＳＡ厚さが表面粗さＲａ（粗さプロファイルの算術平均）程度であり得るとき、ＰＳＡを均一な厚さで塗布することができない場合がある。更に、対向面がＰＳＡ層厚さ程度であり得る粗さを有する場合、ＰＳＡは、対向面を適切に封止することができない場合がある。本発明において、１０μｍ未満の表面粗さＲａを有するパッケージング材は、許容可能な実施例であり得る。いくつかの実施例では、表面粗さの値は、５マイクロメートル以下であってよい。また、更なる実施例では、表面粗さは１マイクロメートル以下であってよい。表面粗さの値は、白色光干渉法、スタイラス形状測定等のような測定技術であるが、これらに限定されない、様々な方法によって測定することができる。表面粗さをいくつかの代替パラメータで説明することができる、及び、本明細書で論じる平均表面粗さＲａ値が、前述の製造プロセスに固有の特徴の種類を表すことを意味するようにしてもよい、多くの例が、表面形状測定の分野に存在し得る。

集電体及び電極
亜鉛炭素電池及びルクランシェ電池のいくつかの実施例では、カソード集電体は、焼結した炭素棒であってよい。この種の材料は、本発明の薄型電気化学セルの技術的障害に直面する場合がある。いくつかの実施例では、印刷されたカーボンインクが、薄型電気化学セルにおいて、焼結した炭素棒の代わりにカソード集電体で使用される場合があり、こうした実施例では、得られる電気化学セルに有意な損害を与えることなく、得られる装置を形成することができる。典型的には、上記カーボンインクは、ポリマー膜、又は場合によっては金属箔を含む場合があるパッケージング材に、直接適用することができる。パッケージング膜が金属箔であり得る実施例では、カーボンインクは、下にある金属箔を、電解質による化学的な劣化及び／又は腐食から保護する必要があり得る。更に、こうした実施例では、カーボンインク集電体は、電気化学セルの内側から電気化学セルの外側まで電気を伝導する必要があり得るので、カーボンインクの周り又は全体の封止を必要とする。カーボンインクは多孔質であるので、これは簡単に達成することはできず、非常に困難である。カーボンインクはまた、厚さが有限の比較的薄い（例えば、１０〜２０μｍの）層で塗布されてもよい。パッケージ内部の総厚さがわずか約１００〜１５０μｍであり得る薄型電気化学セル設計では、カーボンインク層の厚さは電気化学セルの総内容積のかなりの割合を占め、それによりセルの電気的性能にマイナスの影響を与える場合がある。更に、電池全体、特に集電体が薄いということは、集電体の断面積が小さいことを意味し得る。トレースの抵抗は、トレースの長さと共に増大し、断面積と共に低減するので、集電体の厚さと抵抗との間には直接トレードオフであってもよい。カーボンインクのバルク抵抗率は、薄型電池の抵抗要件を満たすには不十分であり得る。銀又は他の導電性金属を充填したインクはまた、抵抗及び／又は厚さを低下させると考えられるが、新規な電解質との不適合性といった新たな課題をもたらし得る。こうした要因を考慮すると、いくつかの実施例では、薄い金属箔を集電体として使用することによって、又は薄い金属膜を下にあるポリマーパッケージング層に適用して集電体として機能させることによって、本発明の高効率で高性能の薄型電気化学セルを実現するのが望ましくあり得る。そのような金属箔の固有抵抗は有意に低くあり得るので、印刷されたカーボンインクよりもはるかに薄い厚さで、電気的抵抗に関する要件を満たすのが可能となる。

いくつかの実施例では、上部及び／又は底部パッケージング層のうちの１つ又は２つ以上は、スパッタリングされた集電体用金属又は金属積層体のための基板としての役割を果たし得る。例えば、３Ｍ（登録商標）Ｓｃｏｔｃｈｐａｋ １１０９裏材は、カソードの集電体として有用な１つ又は２つ以上の金属層の物理気相蒸着（ＰＶＤ）を用いて金属化されてもよい。カソード集電体として有用な金属積層体の実施例は、Ｔｉ−Ｗ（チタン−タングステン）接着層及びＴｉ（チタン）導体層であり得る。アノード集電体として有用な例示的な金属積層体は、Ｔｉ−Ｗ接着層、Ａｕ（金）導体層、及びＩｎ（インジウム）蒸着層であり得る。ＰＶＤ層の厚さは、合計で５００ｎｍ未満であってよい。金属の多層を用いる場合、電気化学的特性及びバリア特性は電池と適合している必要があり得る。例えば、導電体の厚い層を成長させるために、シード層の上に銅を電気めっきしてもよい。銅の上に追加の層をめっきしてもよい。しかしながら、銅は、特に亜鉛の存在下において、特定の電解質と電気化学的に不適合であり得る。したがって、電池内の層として銅を使用する場合、電池電解質から銅を十分に隔離する必要があり得る。あるいは、銅を除外してもよく、又は他の金属で置き換えてもよい。

いくつかの他の実施例では、上部及び／又は底部パッケージング箔はまた、集電体として機能し得る。例えば、２５μｍの黄銅箔は、亜鉛アノードのアノード集電体として有用であり得る。黄銅箔は、所望により、亜鉛で電気めっきする前にインジウムで電気めっきしてもよい。一実施例では、カソード集電体パッケージング箔は、チタン箔、ハステロイＣ−２７６箔、クロム箔、及び／又はタンタル箔を含んでもよい。ある種の設計では、１つ又は２つ以上のパッケージング箔を精密打ち披き、エンボス加工、エッチング、テクスチャ加工、レーザー加工、又は別の方法で加工して、最終的なセルパッケージングにとって望ましい形態、表面粗さ、及び／又は形状を得てもよい。

カソード混合物
本発明の概念と一致し得る多数のカソード化学物質混合物が存在し得る。いくつかの実施例では、電池のカソードを形成するために用いられる化学配合物を表す用語であり得るカソード混合物は、ペースト、ゲル、懸濁液、又はスラリーとして適用されてもよく、かつ、二酸化マンガンなどの遷移金属酸化物、例えば、カーボンブラック又は黒鉛のような導電性粉末の形態であり得るある種の形態の導電性添加剤、及びポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）又は他の何らかの結合剤添加物などの水溶性ポリマーを含み得る。いくつかの実施例では、結合剤、電解質塩、腐食防止剤、水又は他の溶媒、界面活性剤、レオロジー変性剤、及び導電性ポリマーなどの他の導電性添加剤のうちの１つ又は２つ以上などの他の成分が含まれてもよい。カソード混合物は、配合されて適切に混合されると、セパレータ及び／又はカソード集電体の所望部分の上に分配することができるか、あるいは同様のやり方でスキージによりスクリーン又はステンシルに通すことができる、望ましいレオロジーを有することができる。いくつかの実施例では、カソード混合物は、後のセル組み立て工程で使用する前に乾燥させてもよいが、他の実施例では、カソードは、電解質成分の一部又は全てを含んでいてもよく、選択した含水量まで部分的に乾燥させるだけであってもよい。

遷移金属酸化物は、例えば、二酸化マンガンであってよい。カソード混合物で用いることができる二酸化マンガンは、例えば、電解二酸化マンガン（ＥＭＤ）であり得、その理由は、この種の二酸化マンガンから得られる比エネルギーが、天然二酸化マンガン（ＮＭＤ）又は化学二酸化マンガン（ＣＭＤ）などの他の形態と比べて有利に付加的であることによる。更に、本発明の電池で有用なＥＭＤは、堆積可能又は印刷可能なカソード混合物ペースト／スラリーをもたらすことができる粒径及び粒径分布を有する必要があり得る。具体的には、ＥＭＤを処理して、電池の内寸、セパレータ厚さ、分注チップの直径、ステンシル開口部寸法、又はスクリーンメッシュ寸法などの他の特徴に対して大きいと考えられ得る、著しく大きな粒子成分を除去してもよい。また、粒径の最適化を用いて、電池性能（例えば、内部インピーダンス及び放電能）を改善してもよい。

ミル粉砕は、粉砕、研削、切断、振動、又は他のプロセスによる、ある平均粒径からより小さい平均粒径への固体材料の縮小である。ミル粉砕はまた、有用な材料が埋め込まれていてよいマトリックス材料から有用な材料を取り除くため、及び鉱物を濃縮するために使用され得る。ミル粉砕機は、研削、粉砕、又は切断により、固体材料をより小さな片に破砕する装置である。ミル粉砕のための手段は複数存在し、該手段で処理される多様な材料が存在し得る。そのようなミル粉砕手段としては、他のミル粉砕の代替手段の中でも、ボールミル、ビーズミル、乳鉢と乳棒、ローラプレス、及びジェットミルを挙げることができる。ミル粉砕の一例は、ジェットミル粉砕であり得る。ミル粉砕の後、固体の状態（例えば、粒径、粒径配列、及び粒子形状）が変化する。凝集体をミル粉砕する工程はまた、凝集体から混入物又は水分を除去又は分離して、移送又は構造物充填に先立って「乾燥充填物」を作製するために用いられてもよい。一部の機器は、粒径が最小粒径及び最大粒径の両方によって限定された粒子の混合物に固体材料を分類するために、種々の技術を組み合わせることができる。かかる処理は、「分級」又は「分類」と呼ばれる場合がある。

ミル粉砕は、カソード混合物成分の粒径分布を均一にするための、カソード混合物の製造の一態様であり得る。カソード混合物中の均一な粒径は、カソードの粘度、レオロジー、電気伝導性、及び他の特性を補助することができる。ミル粉砕は、カソード混合物成分の凝集、つまり塊集を制御することによって、こうした特性を補助することができる。凝集（別個の要素の集塊化であり、カソード混合物の場合には炭素同素体及び遷移金属酸化物であり得る）は、所望のカソードキャビティ内にボイドが残ることにより、充填プロセスにマイナスの影響を与え得る。

また、濾過は、凝集した又は望ましくない粒子を除去するための、別の重要な工程であり得る。望ましくない粒子としては、大き過ぎる粒子、混入物、又は調製プロセスにおいて明示的に理由が与えられない他の粒子を挙げることができる。濾過は、濾紙濾過、真空濾過、クロマトグラフィー、精密濾過、及び他の濾過手段といった手段によって達成され得る。

いくつかの実施例では、ＥＭＤは、７マイクロメートルの平均粒径を有していてよく、大径粒子の含有量は、最大約７０マイクロメートルまでの粒子を含み得る。代替実施例では、大径粒子の含有量を一定の閾値未満（例えば、２５マイクロメートル以下）に限定するために、ＥＭＤをふるいにかけ、更に粉砕し、ないしは別の方法で分離又は処理してもよい。

カソードはまた、二酸化銀又はオキシ水酸化ニッケルを含んでもよい。かかる材料は、二酸化マンガンと比べて、容量を増大させ、かつ放電時の負荷時電圧の低下を少なくすることができ、これらは共に電池において望ましい特性である。こうしたカソードベースの電池は、業界及び文献に見られる現行例を有し得る。二酸化銀カソードを用いる新規な超小型電池は、生体適合性電解質（例えば、水酸化カリウムの代わりに塩化亜鉛及び／又は塩化アンモニウムを含むもの）を含んでいてよい。

カソード混合物のいくつかの例は、ポリマー結合剤を含んでいてもよい。結合剤は、カソード混合物においていくつかの機能を果たすことができる。結合剤の主要機能は、ＥＭＤ粒子と炭素粒子との間に、粒子間の十分な電気的ネットワークを作り出すことであり得る。結合剤の２つ目の機能は、カソード集電体に対する機械的接着及び電気的接触を促進することであり得る。結合剤の３つ目の機能は、好都合に分配及び／又はステンシリング／スクリーニングするために、カソード混合物のレオロジー特性に影響を与えることであり得る。更に、結合剤の４つ目の機能は、カソード内への電解質の吸い上げ及び分布を向上させることであり得る。

結合剤ポリマーの選択並びに使用する量は、本発明の電気化学セルにおけるカソードの機能にとって有益であってよい。使用する電解質に結合剤ポリマーが可溶性であり過ぎる場合には、結合剤の主要機能（即ち、電気的導通）は、セルが機能しなくなる程度まで大幅な影響を受け得る。これに対して、使用する電解質に結合剤ポリマーが不溶性であり過ぎる場合には、ＥＭＤの一部は電解質からイオン的に絶縁され、その結果、容量低下、開回路電圧の低下、及び／又は内部抵抗の上昇など、セル性能が衰える。

結合剤は、疎水性であってよく、また親水性であってもよい。本発明にとって有用な結合剤ポリマーの例は、中でも、ＰＶＰ、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、Ｋｒａｔｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ製のもののようなスチレン末端ブロックを含むゴムトリブロックコポリマー、スチレン−ブタジエンラテックスブロックコポリマー、ポリアクリル酸、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ化炭素固形物を含む。

溶媒は、カソード混合物の一構成要素であり得る。溶媒は、カソード混合物を湿潤させるのに有用であり得、それにより混合物の粒子分布を助けることができる。溶媒の一例はトルエンであり得る。界面活性剤もまた、カソード混合物の湿潤（したがって分布）に有用であり得る。界面活性剤の一例は、Ｔｒｉｔｏｎ（商標）ＱＳ−４４などの洗剤であり得る。Ｔｒｉｔｏｎ（商標）ＱＳ−４４は、カソード混合物中の凝集成分の分離を助けて、カソード混合物成分のより均一な分布を可能にすることができる。

導電性炭素は、典型的には、カソードの作製に使用され得る。炭素は、多くの同素体、又は異なる構造修飾を形成することができる。異なる炭素同素体は、電気伝導率の変動を可能にする異なる物理特性を有する。例えば、カーボンブラックの「弾力性」は、集電体へのカソード混合物の付着を助けることができる。しかしながら、必要となるエネルギー量が比較的小さい通電素子では、こうした電気伝導率の変動は、他の特性の中でも特に、密度、粒径、熱伝導率、及び相対的統一性などの他の有利な特性と比べて、あまり重要ではない場合がある。炭素同素体の例としては、ダイヤモンド、黒鉛、グラフェン、比結晶質炭素（非公式にはカーボンブラックと呼ばれる）、バックミンスターフラーレン、ガラス状炭素（ガラス質炭素とも呼ばれる）、カーボンエアロゲル、及び電気を通すことができる他の可能な形態の炭素が挙げられる。炭素同素体の一例は黒鉛であり得る。

カソード混合物が配合されて処理されたら、この混合物は、ヒドロゲルセパレータなどの表面又はカソード集電体上に、あるいは層状構造体内のキャビティなどの容積の中に、分配、塗布、及び／又は格納されてよい。表面上に充填することにより、経時的に容積が充填されることになり得る。混合物を塗布、分配、及び／又は格納するためには、分配、塗布、及び／又は格納プロセスを最適化するために、特定のレオロジーが望ましい場合がある。例えば、低粘度のレオロジーは、キャビティのより良好な充填を可能にし得るが、それと同時に、粒子分布が犠牲となる場合がある。より高粘度のレオロジーは、最適化された粒子分布を可能にし得るが、キャビティを充填する能力が低減する可能性があり、かつ電気伝導性が失われる可能性がある。

アノード及びアノード腐食防止剤
本発明の層状電池のアノードは、例えば、亜鉛を含んでもよい。従来の亜鉛炭素電池では、亜鉛アノードは物理的に缶の形状をとることができ、その中に電気化学セルの内容物を収容することができる。本発明の電池では、亜鉛缶は一例であり得るが、超小型電池設計を実現するために望ましい形状を提供することができる、他の物理的形状の亜鉛が存在する場合がある。

亜鉛の電気めっきは、例えば、金属部品の保護コーティング又は美観用コーティングなどの多くの産業における用途におけるプロセスタイプである。いくつかの実施例では、電気めっき亜鉛は、本発明の電池に有用な薄型の共形アノードを形成するために使用することができる。更に、電気めっき亜鉛は、設計意図に応じて多くの異なる構成でパターン化される場合がある。電気めっき亜鉛をパターニングするための容易な手段は、フォトマスク又は物理的なマスクを用いた加工であり得る。フォトマスクにおける場合では、フォトレジストが導電性基板に塗布されてもよく、引き続いてこの基板上に亜鉛をめっきすることができる。次に、フォトマスクを用いてフォトレジストに所望のめっきパターンを投影し、それによってフォトレジストの選択領域を硬化させることができる。次に、適切な溶媒及び清掃技術を用いて、未硬化のフォトレジストを除去することができる。こうして、導電材料のパターン領域を得、このパターン領域上に亜鉛電気めっき処理を施すことができる。この方法は、めっきされる亜鉛の形状又は設計に利益をもたらすことができるが、この技法は、セルパッケージ構造体全体に対して拘束性を有し得る、入手可能なフォトパターニング可能な材料を使用することを必要とし得る。したがって、本開示の超小型薄型電池のいくつかの設計を実現するために、亜鉛をパターニングするための新しい新規な方法が必要とされ得る。

亜鉛アノードのパターニングの代替手段は、物理的なマスクの適用によるものであってよい。物理的なマスクは、所望のバリア及び／又はパッケージング特性を有する膜に所望の開口を切り込むことによって作製され得る。加えて、膜の片面又は両面に感圧接着剤を塗布してもよい。最後に、膜の片面又は両面の接着剤に保護剥離ライナーを適用してもよい。剥離ライナーは、開口の切断中に接着剤を保護する目的と、電気化学セルの組み立ての特定の加工工程（具体的にはカソード充填工程）の間、接着剤を保護する目的の両方に役立ち得る。いくつかの実施例では、亜鉛用マスクは、厚さ約１００μｍのＰＥＴ膜を含んでいてよく、この膜の両面に感圧接着剤を層厚約１０〜２０μｍで塗布してもよい。両方のＰＳＡ層は、ＰＥＴ剥離膜で覆われてよく、このＰＥＴ剥離膜は、低表面エネルギー表面処理が施されていてもよく、およその厚さが５０マイクロメートルであってよい。こうした実施例では、多層亜鉛用マスクは、ＰＳＡ及びＰＥＴフィルを含み得る。本明細書に記載するＰＥＴ膜及びＰＥＴ／ＰＳＡ亜鉛用マスク構造体は、マスクに超精密な開口を形成して、後で行うめっきを容易にするために、Ｏｘｆｏｒｄ Ｌａｓｅｒｓ Ｅシリーズレーザー微細加工ワークステーションのような精密なナノ秒レーザー微細加工機器で処理されるのが望ましくあり得る。本質的に、亜鉛用マスクを製造したら、片面の剥離ライナーを除去してもよく、開口を有するマスクを、アノード集電体及び／又はアノード側のパッケージ膜／箔に積層することができる。このようにして、ＰＳＡは開口の内側縁部に封止部を形成し、電気めっきを施している間、亜鉛を汚すことなく精密にマスキングするのが容易となる。

亜鉛用マスクを配置した後に、１つ又は２つ以上の金属材料の電気めっきを行ってもよい。いくつかの実施例では、亜鉛を、黄銅などの電気化学的に適合性のあるアノード集電体箔上に直接電気めっきしてもよい。アノード側のパッケージングがポリマー膜又は多層ポリマー膜を含み、該膜の上にシードメタライゼーション（seed metallization）が適用されている代替設計例では、亜鉛、及び／又は亜鉛を堆積させるために使用するめっき溶液が、下にあるシードメタライゼーションと化学的に適合性がない場合がある。適合性の欠落は、膜の亀裂、腐食、及び／又はセル電解質と接触した際のＨ_２発生の悪化として顕在化し得る。そのような場合、シード金属に追加の金属を塗布して、システムの全体的な化学的適合性の改善に影響を与えてもよい。電気化学セル構造体において特に有用性を見出すことができる金属の１種は、インジウムであり得る。インジウムは、電池グレードの亜鉛において合金化剤として広く使用することができ、その主な役割は、電解質の存在下で亜鉛に防食性をもたらすことである。いくつかの実施例では、インジウムは、Ｔｉ−Ｗ及びＡｕなどの様々なシードメタライゼーション上に首尾良く堆積させることができる。上記シードメタライゼーション層上に得られる１〜３μｍのインジウム膜は、低応力であり、接着性であり得る。このようにして、アノード側のパッケージング膜、及びインジウム最上層を有する取り付けられた集電体は、応従可能で耐久性があってもよい。いくつかの実施例では、インジウム処理の施された表面上に亜鉛を堆積させることが可能であり得るが、得られる堆積物は非常に不均一で小塊を有する場合がある。この影響は、低電流密度設定、例えば、２１５アンペア毎平方メートル（ＡＳＭ）（２０アンペア毎平方フィート（ＡＳＦ））で起こり得る。顕微鏡で見ると、下にある滑らかなインジウム堆積物上に亜鉛の小塊が形成されているのを観察することができる。ある種の電気化学セル設計において、亜鉛アノード層のための垂直空間許容度は、最大で約５〜１０マイクロメートル厚さであり得るが、いくつかの実施例では、亜鉛めっきに低電流密度を用いる場合があり、その結果生じる小塊の成長は、アノードの最大垂直厚さよりも高くなる可能性がある。亜鉛小塊の成長は、インジウムの過電圧が高いことと、インジウムの酸化物層の存在が組み合わさることにより生じる可能性がある。

いくつかの実施例では、より高い電流密度でのＤＣめっきにより、インジウム表面上の比較的大きな亜鉛小塊成長パターンを克服する場合がある。例えば、１０７６ＡＳＭ（１００ＡＳＦ）めっき条件によって、小塊亜鉛が生じ得るが、亜鉛小塊の寸法は、２１５ＡＳＭ（２０ＡＳＦ）めっき条件と比べて著しく縮小され得る。更に、小塊の数は、１０７６ＡＳＭ（１００ＡＳＦ）めっき条件下で非常に多くなり得る。得られる亜鉛膜は、最終的には、約５〜１０マイクロメートルの垂直空間許容度を満たしながらも、小塊成長の残存特徴を若干有する、ほぼ均一な層へと融合することができる。

電気化学セルにおけるインジウムの追加利益は、亜鉛を含有する水性電気化学セルで起こるゆっくりとしたプロセスであり得る、Ｈ_２の減少であり得る。インジウムは、アノード集電体のうちの１つ又は２つ以上に、共めっき合金化成分としてアノード自体に、又は電気めっき亜鉛上の表面コーティングとして、有利に塗布され得る。後者のケースでは、インジウム表面コーティングは、三塩化インジウム又は酢酸インジウムなどの電解質添加剤を通じてその場で塗布されるのが望ましくあり得る。そのような添加剤が低濃度で電解質に添加され得る場合、インジウムは、露出している亜鉛表面、並びに露出しているアノード集電体の一部に、自然発生的にめっきされ得る。

市販の一次電池で一般に使用されている亜鉛及び類似のアノードは、典型的には、シート、ロッド、及びペーストの形態で入手できる。小形生体適合性電池のアノードは、同様な形態のもの（例えば薄箔）であってもよく、又は前述したようにめっきされてもよい。このアノードの特性は、例えば、加工及びめっきプロセスに起因する汚染物質又は表面仕上げが異なるため、既存の電池の特性と著しく異なり得る。したがって、電極及び電解質は、容量、インピーダンス、及び有効寿命要件を満たす特別な設計を必要とし得る。例えば、電極性能を最適化するために、特別なめっきプロセスパラメータ、めっき浴組成、表面処理、及び電解質組成が必要であり得る。

ポリマー電解質及びセパレータ
ポリマー電池システムと一致する、多くの異なる種類の電解質配合が存在し得る。第１の分類の実施例では、電解質はポリマー電解質と呼ばれ得る。ポリマー電解質システムでは、ポリマー主鎖はイオンの伝導機構に関わる領域を有する。同様にまた、ポリマー主鎖におけるこれらの領域は、電解質バルク中で塩イオンが溶解するのを促進する。一般的には、電解質バルク中の溶解イオンが高濃度であることによって、電池性能特性がよく優れたものになり得る。ポリマー電解質システムのポリマー主鎖を形成するのに用いられる多くのポリマー及びコポリマーシステムが存在し得る。非限定的な例において、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）は、一般的なポリマー構成要素であり得る。システムのイオン電導性は、高温の動作温度条件下で上昇し得るが、室温動作温度条件下では比較的よくないかもしれない。いくつかの実施例では、シート形態でのポリマー電解質は、イオン種の存在のもと形成され得る。シート形態は、高温積層加工によって電解質に適用され得る。他の実施例では、電解質配合物は、電極表面上にコーティングされ得る。これらの各加工手段は、他の加工条件下では一般的に接着力が低下し得る電解質の電極への結合性を高めるのに有用であり得る。

別の分類の実施例では、可塑化ポリマー電解質は、ポリマー電解質電池システムに用いられ得る。可塑化ポリマー電解質を形成するのに有用であり得る多くのポリマーシステムが存在し、非限定的な例としては、他のポリマーシステムの中でも特にＰＥＯ、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）及びポリ（塩化ビニル）が挙げられる。選択されるポリマー主鎖は、溶媒及びイオン性溶質システムが組み込まれ得る２次元又は３次元マトリクスを形成する。溶解イオン種を溶媒システムに組み込むことで、ポリマー電解質は「可塑化」される。第１の分類のポリマー電解質システムとは異なり、可塑化ポリマー電解質システムの主鎖は、電解質にわたるイオン輸送に関与しないことがある。溶媒の存在は、第１の分類のポリマー電解質システムとの別の相違点であり、イオン輸送を促進するように働く。いくつかの実施例では、電池構造体におけるイオン輸送性及び関連するイオン伝導性は、これらの理由から可塑化ポリマー電解質システムにおいてより高くなり得る。いくつかの実施例では、可塑化ポリマー電解質システムのマトリクスによって、電解質とその近接層との間に形成される境界面に関連する特性を向上し得る。第１の分類のポリマー電解質と同様に、可塑化ポリマー電解質システムは、高温条件下で積層化され電極への貼着性を向上させ得る。

一例では、ポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）ポリマー又はポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）コポリマー電極部材組成物に使用する可塑剤は、プロピレンカーボネート（ＰＣ）である。この可塑剤の有効比率は、所望のマトリクスポリマー自体の特性に依存するだけではないかもしれない。有効比率はまた、電極活物質の容積及び粒径などの組成物の他の構成要素の量及び特性によって非常に影響を受け得る。例えば、ＰＶＤＦ−ＨＦＰを含む正電極配合物におけるＰＣの有効量は、電極マトリクスポリマー構成要素の約６０重量％〜３００重量％で変化し得る。したがって、調整可能な多くの組成変数を考慮すると、任意の配合物中の可塑剤の量は、やや広い範囲の有効量から実験的に決定されてよく、使用条件又は試験された電気的な結果に応じて変化し得る。

別の例示的な分類の電解質システムでは、ゲル電解質システムは、ポリマー電解質電池で使用される電解質システムの別の種類であり得る。ゲルは、固化ポリマーネットワークと異なる特性を有する重合生成物の一種である。ゲルは、固体の３次元ネットワークからなる。このネットワークは、分岐状モノマーの共重合によって形成され得る。３次元ネットワークは液体の容積にわたり、表面張力の効果によってその場で結合する。ＰＭＭＡ、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）及び多くの他の実施例などのゲル電解質システムを形成し得る多くのポリマーシステムが存在し得る。ゲル電解質は、典型的に高いイオン伝導性を示し得る。高温積層化は、ゲルポリマー電解質を電極良好な接着特性を有する電極表面に固着するのに使用され得る。高温積層化加工後、電解質組成物は、固着したゲルポリマー主鎖に、スポンジが液体組成物を吸収するのと同量添加され得る。

様々な分類のポリマー電解質層が、ポリマー電解質電池の実施例において使用され得る。アノード材料の一種を含むシステムが与えられると、アノードから離れるアノード材料の輸送と一致するイオンが、形成された電解質中に含まれてもよく、又は後で加えられるゲルポリマー電解質システムのようないくつかの実施例で含まれてもよい。各分類のポリマーネットワークによって、電池用セパレータとしても機能し得る層が形成される。

一例では、ポリマー電解質／セパレータフィルムは、一般的なスピンコーティング装置を使用して、所望の速度（６００ｒｐｍなど）で所望の時間（２秒間など）作動させて、コーティング組成物の一部分を研磨シリコンウェハ上で注型成形することで調製され得る。フィルムは、室温で適切な時間（約１０分間など）、コーティング装置の領域内で乾燥され得る。コーティング組成物は、約９ｇの無水テトラヒドロフラン（tetrohydrofuran）（ＴＨＦ）に、約１．５ｇの８８：１２（ＶＤＦ：ＨＦＰ）コポリマー（約３８０×１０３ＭＷ（Ｋｙｎａｒ ＦＬＥＸ２８０１））を懸濁させ、この混合物に、エチレンカーボネート（ＥＣ）：プロピレンカーボネート（ＰＣ）＝１：１（重量）の混合物中、約１．５ｇの酢酸亜鉛溶液（１Ｍ）又は他の適切な電解質塩を加えることで調製され得る。この完成混合物は、溶解しやすくするために、一定時間（３０分間など）、高温（約６０℃など）まで温められ得る。溶液を時折攪拌することで、溶液の流動性の維持に役立ち得る。生じたフィルムは、本明細書に提示された電池セルを形成するための、様々な実施例によるポリマー電解質フィルムとして使用され得る。

いくつかの実施例では、ポリマー主鎖から作製され、その後、電解質を含侵させた多孔質膜を形成するのに有用であり得る。非限定的な例では、注型成形溶液は、およそ２対１の比率のポリ（フッ化ビニリデン）（ＰＶＤＦ）及びポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）を、Ｎ−Ｎジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）とグリセロールとを含む溶媒混合物中に混合させることによって形成することができる。ＤＭＡｃとグリセロールの比率は様々であってよく、得られるセパレータ層の多孔率などの特性に影響を及ぼし得る。余剰量の溶媒混合物を使用して、キャビティ内に得られて薄いセパレータ層を形成する層が収縮できるようにしてもよい。生じた溶液は、いくつかの実施例では、電解質上で注型成形され、シートに巻入され、押出し成形され得る。注型成形溶液を分配する他の方法は、本明細書に記載のプロセスに則していてよい。その後、この構造体を室温の水浴に２０〜４０時間にわたり浸漬させて、セパレータ層からグリセロールを溶出させ、所望の多孔率を有する層を得ることができる。次に、ポリマー電解質層は、水などの適切な溶媒及び亜鉛系塩などの電解質を含有する溶液で含侵され得る。

電解質を組み込むための孔を有するポリマー電解質を含む電池セルを製造する別の手段は、上述のＰＶＤＦ系システムなどのゲルポリマーによって開始され得る。電解質は、約１１０℃及び約１Ｎｍ（約１０ｋｇ／ｃｍ）のロール圧で、加熱したダブルロールラミネータ装置によってポリマー電解質に積層化され得る。冷却後、積層体セル構造は、適切な溶媒に浸漬され、電極関連可塑剤が抽出され得る。いくつかの実施例では、溶媒としては、アセトン、ジエチルエーテル又はＮＭＰが挙げられる。次に、生じた構造体は、表面の溶媒が蒸発するまで乾燥されてよく、その後、高温（約７０℃など）で１時間ほど空気循環炉中に載置され、溶媒、水分及び残りの可塑剤の除去が続けられ得る。この加工によって、良好に結合された工作物がもたらされ、これは次に、ヘリウム環境下で、適切な溶媒中に溶解された亜鉛塩のような電解質の測定と共に、密封封止された多層箔／ポリマーエンベロープ中でパッケージ化され得る。溶媒及び電解質は、微多孔膜中に拡散し、膜を導電性電解質で含侵させ得る。

電解質を組み込むための孔を有するポリマー電解質を含む電池セルを製造する別の手段は、市販の微多孔セパレータ膜によって開始され得る。積層化電気化学電池セルは、カソード及びアノードをそれぞれ含む電極を、電解質を含み得るＣｅｌｇａｒｄ ２３００微多孔セパレータと共に組み立てることで調製され得る。電極は、約１１０℃及び約１Ｎｍ（約１０ｋｇ／ｃｍ）のロール圧で、加熱したダブルロールラミネータ装置によってセパレータに積層化され得る。

通電素子−ポリマー電解質の加工における例示的な図示
図４Ａ〜図４Ｆを参照すると、ある種類のポリマー電解質を含むポリマー電解質電池の加工の実証が見出され得る。様々な方法及び順番で、形成される様々な層は加工され得るが、一例としては、プロセスは、カソード集電体４１０を有する図４Ａから開始し得る。一例では、亜鉛金属の薄箔又はフィルムは、カソード集電体に使用され得る。カソード層の接着を助けるために、コーティング４１５をチタン箔の表面に添加して表面処理を行うことができる。非限定的な例において、処理は、Ｌａｍａｒｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｌｉｆｔｏｎ，ＮＪ，ＵＳＡ．から提供されるようなカーボンコーティングによるものであり得る。いくつかの実施例では、チタン箔の領域は、カソード接点４１６を形成するために処理せずに残され得る。他の実施例では、コーティングを加えて箔全体が処理されてよく、後の工程でコーティングが除去され、カソード接点４１６が露出され得る。

次に、図４Ｂにおいて、カソード混合物がコーティング上に加えられて、カソード４２０が形成され得る。スキージ又はナイフエッジ型の積層プロセスで、スプレー、印刷、及び堆積を含むコーティングを加える多くの手段が存在し得る。ナイフエッジ積層においては、ある量のカソード混合物がナイフ縁部の後部に堆積し、ナイフ縁部をカソード層に沿って引くことで均一な厚さに層を調節し得る。いくつかの他の実施例では、カソードは 電流導体上のカソード物質を電着することで形成され得る。

完成したカソード混合配合物の一例は、以下のように形成され得る。

８８％のＥｒａｃｈｅｍ ＭｎＯ_２粉末（Ｈｏｓｉｋｏｗａによりジェットミル粉砕されたもの）から構成されるカソードパウダーブレンドは、Ｓｕｐｅｒ Ｐ Ｌｉ ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋと混合されて（５％となるまで）、Ｋｙｎａｒ ２８０１ ＰＶＤＦと混合され（７％となるまで）得る。カソード粉末ブレンドと混合される際、酢酸亜鉛の量は、酢酸亜鉛の質量：ＰＶＤＦの質量の比率が１：１０になるような量でＮＭＰに溶解され得る。混合の際、生じたスラリーはＮＭＰ中で懸濁されてよく、このＮＭＰの量によって、２７％固形分の配合物が形成される。

生じたスラリーは、磁気攪拌棒で１０〜２０時間、おおよそ４００ｒｐｍなどの速度で混合され得る。混合されたスラリーは脱気され得る。脱気は、２０００ｒｐｍで約２分間、Ｔｈｉｎｋｙ ＡＲＥ−２５０自転公転撹拌機で処理され得る。

次に、スラリーは、約３０〜８０マイクロメートルの厚さまでドクターブレードで塗布され得る。スラリー堆積物は、１２．５マイクロメートル厚の等級Ｉのチタン箔（Ａｒｎｏｌｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓから入手可能なものなど）のシート上で作製されてよく、１〜３マイクロメートル厚のカーボン層でコーティングされ得る。チタン箔上のカソードコーティングは、多くの時間（１８〜２４時間など）、加熱した実験用オーブン中で乾燥されてよく、ここで、一例では、５０℃であり得る。

生物医学的装置中のカソード混合物の処方及び加工における更なる実施可能性は、米国特許出願公開第１４／７４６，２０４号（２０１５年６月２２日出願）での記載に見出され、これは本明細書に参照として組み込まれ得る。

次に、図４Ｃにおいて、ポリマー電解質４３０は成長構造に加えられ得る。上述のように、適用され得るポリマー電解質には多くの種類及び分類がある。一例では、ゲルポリマーは、３０重量％の酢酸亜鉛を含むＫｙｎａｒ ２８０１から構成され得る。この混合物は、３６％のＤＭＳＯ及び６４％のＮＭＰを含む溶媒ブレンドに担持され得る。次に、この溶液はドクターブレードを使用してカソードに塗布され得る。生じたコーティングは、高温環境下で乾燥され得る。一例では、乾燥は、約５０℃で数時間（３〜６時間など）、実験用オーブンで実行され得る。いくつかの実施例では、更に高温（１００℃など）で数時間（１時間など）、更なる乾燥工程が実行され得る。コーティングプロセスが複数回繰り返され、目的とする厚さが得られる。

スプレーコーティング、印刷、又はスキージ若しくはナイフエッジなどによって、ポリマー電解質を塗布する多くの方法が存在し得る。ここでもまた、堆積した層を乾燥してある量の溶媒を除去することができる。

図４Ｄを参照すると、亜鉛アノード４４０がポリマー電解質層に塗布され得る。生物医学的装置中のアノードの処方及び加工における更なる実施可能性が、米国特許出願公開第１４／８１９，６３４号（２０１５年８月６日出願）での記載に見出され、これは本明細書に参照として組み込まれ得る。

いくつかの実施例では、ポリマー電解質の表面層は、ポリマー電解質とアノード層との結合を助けるために再塗布される追加量の溶媒又はポリマー電解質を含み得る。他の実施例では、結合プロセスは、溶媒又はポリマー電解質の再塗布を行わずに進み得る。亜鉛アノードを塗布する多くの方法が存在し得るが、一例では、亜鉛箔がポリマー電解質に積層化され得る。いくつかの実施例では、積層化プロセスによって加熱又は加圧され、塗布される領域周辺の気相が排気される。コーティングされたポリマー電解質を有する電極の積層化は、ポリマー構造体に著しい影響を与えない温度及び圧力レベルにおいて、加熱された加圧ローラ間で実行され得る。例えば、積層化は、７０℃〜１３０℃、好ましくは１００℃〜１２５℃、及びより好ましくは約１１０℃で実行され得る。いくつかの実施例では、圧力は、約２〜１８ニュートンメートル（Ｎｍ）（約２０〜１８０キログラム／センチメートル（ｋｇ／ｃｍ））、好ましくは約５．４〜１２．３Ｎｍ（約５５〜１２５ｋｇ／ｃｍ）の線形圧力負荷であり得る。最適な温度及び圧力条件は、特定のラミネータ構造体及びその使用モードに応じて変化する。

いくつかの実施例では、材料のロールが図４Ａ〜図４Ｃで記載される方法で加工され、その後、図４Ｄに関連する熱真空積層プロセスでまとめられ得る。この加工は、ロールツーロール製造プロセスと呼ばれる。

図４Ｅを参照すると、生じたポリマー電解質電池装置は、構造体を乾燥させる熱処理４５０でアニール化され得る。いくつかの実施例では、熱処理によってまた、集電体、カソード、電解質及びアノードの間に新たに形成される境界面における特性も向上され得る。

形成された電池の機能並びにその生体適合性は、環境から電池構造体を単離しつつ、電池が封入部の外で接触することが可能であるようにポリマー電解質電池構造体を封入することに強く依存し得る。前述の封止及びパッケージングの項目で議論されているように、様々な封入手段が、図４Ｆで図示される封入工程４６０を実行するのに使用され得る。

生物医学的装置中のアノードの処方及び加工における更なる実施可能性が、米国特許出願公開第１４／８２７，６１３号（２０１５年８月１７日出願）での記載に見出され、これは本明細書に参照として組み込まれ得る。

いくつかの実施例では、１組の封入フィルムが、電池素子を囲うのに使用され得る。フィルムは、様々な場所で、集電体接点が位置する領域を露出するためにプレカットされ得る。その後、２枚のフィルムは電池素子周辺に移動し、一緒に結合されて封止部となる。いくつかの実施例では、封止部は、封止層を熱処理して互いに流入することで形成され、封止部が形成され得る。他の関連する実施例では、封止部を形成するのにレーザーが使用され得る。封止一体性を向上するために、封止部を形成する際に加えられ得る粘着剤及び接着剤などの他の封止材料が存在し得る。

電池素子上で実行される、他の後処理が存在し得る。材料ロールを処理して封入された電池素子が形成される実施例において、後続のプロセスによって、形成された結果として生じたシートから、電池素子が個片化又は切り抜かれ得る。電池を切り抜くのに、レーザーが使用され得る。他の実施例では、特定の形状の切断表面で電子素子を打抜くのにダイが使用され得る。上に記載されるように、いくつかの個片化された電池設計は直線状であり得るが、他の設計は、例えばコンタクトレンズインサート片の湾曲に適合する曲線状であり得る。

ポリマー電解質電池における例示的な性能結果
ポリマー電解質電池の例示的なサンプルは、図４Ａ〜図４Ｆに関して参照される加工実施例を用いて形成されている。図５Ａ〜Ｄを参照すると、例示的なサンプルから得られた特性評価結果が見出される。サンプルは、５ｍｍ×１ｍｍ及び約１３５マイクロメートル厚の全体形状因子で形成された。特性評価データにおいて、電池サンプルの有効アノード領域は、およそ３×１０^−３ｃｍ^２であった。図５Ａにおいて、例示的な電池セルの放電特性が見出され得る。約１．３Ｖのセル電圧を有する安定した性能が観察され、これは、良好なエネルギー容量及び電池寿命性能を示し得る。図５Ｂにおいて、例示的なサンプルの周波数特性化が実行され、得られた「ナイキスト」プロットが示されている。図５Ｃ及び図５Ｄにおいて、未処理周波数特性が示されている。図５Ｃは、インピーダンス対得られた周波数を示している。図５Ｄは、例示的なサンプルから測定される相角度対周波数結果を示している。

適切に設計された封止構造体、及び関連する封止材料は、材料を生物学的な接触表面と接触しない領域に維持し得るので、通電装置の生体適合性を改善し得る。加えて、適切に形成された封止部は、様々な種類の力を受け取る能力を改善し、破裂して電池のキャビティ（複数可）の内容物を露出させることがない。

ポリマー電解質組成物は、通電素子の生体適合性並びにその弾力性を本質的に向上させ、外部からの影響を電池内部に拡散させる。ポリマー主鎖の固体状態の態様及びイオンの封じ込めが溶媒中であるかどうかに関わらず、装置外に拡散することによる電解質の消失を引き起こし得る力が最小化され得る。

本明細書における実施例は、本発明において記載される様々な方法により形成された、電解質一次電池層装置について記載している。いくつかの実施例では、これらのより高い水準の電池装置が、図１Ｂを参照して記載される眼科用レンズなどの生物医学的装置内に組み込まれる場合がある。

コンタクトレンズの実施例では、電池装置は、電池が電気活性素子を備えるインサート内、又はインサートの外側に位置する電気活性素子へと接続されてもよい。生物医学的装置の生体適合性を実現するために、インサート、電気活性素子、及び電池は全体的に、適切なヒドロゲル配合物で封入されてもよい。いくつかの実施例では、ヒドロゲルは、封入用ヒドロゲルの湿潤性の態様を維持する、配合物を収容していてもよい。したがって、構成要素を収容する外殻に関連する生体適合性の多くの態様は、全体的に生物医学的装置の生体適合性に関連する。これらの態様には、いくつかの非制限的な例として、酸素透過性、湿潤性、化学的適合性、及び溶質透過性が挙げられる。

電池及びインサートは、湿潤性と相互作用する場合があり、よって電池自体の生体適合性の方策が、生物医学的装置全体と大きく関連している。いくつかの実施例では、封止が、材料のインサート、及び電池装置への浸入、及びそこから滲出を防ぐことが想到され得る。これらの実施例では、例えば、インサート及び電池装置周辺の湿潤性及び透過性を実現するため、ヒドロゲル封入層の設計が変更される場合がある。他のいくつかの実施例では、気体の発生により、いくらかのガス種がヒドロゲル封入部を通して電池装置を透過し、生物医学的装置環境に入る。生物医学的装置の部分は（これが、眼科用装置のものでも、又はユーザーの体液及び細胞層に接触する他の装置であっても）、生物医学的装置から、生物医学的装置がその中又はその上にある生物学的環境への境界層に適合させるように設計され得る。

電気活性装置及び電池の外部封入層
いくつかの実施例では、生物医学的装置内に封入層を形成し得る、好ましい封入材料は、シリコーン含有成分を含み得る。一実施例では、この封入層は、コンタクトレンズのレンズスカートを形成し得る。「シリコーン含有成分」とは、モノマー、マクロマー又はプレポリマー中に少なくとも１つの［−Ｓｉ−Ｏ−］単位を含有するものである。好ましくは、総Ｓｉ及び結合Ｏは、シリコーン含有成分中に、そのシリコーン含有成分の総分子量の約２０重量％よりも多い、より好ましくは３０重量％よりも多い量で存在する。有用なシリコーン含有成分は、好ましくは、アクリレート、メタクリレート、アクリルアミド、メタクリルアミド、ビニル、Ｎ−ビニルラクタム、Ｎ−ビニルアミド、及びスチリル官能基等の重合性官能基が含まれる。

いくつかの実施例では、インサート封入層とも呼ばれる、インサートを取り囲む眼用レンズスカートが、標準ハイドロゲル眼用レンズ処方物から構成され得る。数々のインサート材料に対して許容可能な適合を提供することができる特徴を有した例示的な材料としては、Ｎａｒａｆｉｌｃｏｎファミリー（Ｎａｒａｆｉｌｃｏｎ Ａ及びＮａｒａｆｉｌｃｏｎ Ｂを含む）、及びＥｔａｆｉｌｃｏｎファミリー（Ｅｔａｆｉｌｃｏｎ Ａを含む）が挙げられ得る。本明細書の技術と一致する材料の性質に関して、より技術的に包括的な説明が以下に続く。当業者は、記述された材料以外の他の材料もまた、封止及び封入されるインサートの許容可能なエンクロージャ又は部分的なエンクロージャを形成することができ、本請求項の範囲と一致しかつ本請求項の範囲内に含まれると見なされるべきであることを認識する場合がある。

好適なシリコーン含有成分は、式Ｉの化合物を含み、

式中、
Ｒ１は、一価の反応性基、一価のアルキル基、又は一価のアリール基から独立して選択されて、前述のいずれかは、ヒドロキシ、アミノ、オキサ、カルボキシ、アルキルカルボキシ、アルコキシ、アミド、カルバメート、カーボネート、ハロゲン、又はこれらの組み合わせから選択される官能基を更に含んでもよく、１〜１００個のＳｉ−Ｏの反復単位を含む一価のシロキサン鎖が、アルキル、ヒドロキシ、アミノ、オキサ、カルボキシ、アルキルカルボキシ、アルコキシ、アミド、カルバメート、ハロゲン、又はこれらの組み合わせから選択される官能基を更に含んでもよく、
式中、ｂ＝０〜５００であり、ｂが０以外のとき、ｂは表示値と同等のモードを有する分布であると理解され、
少なくとも１つのＲ１は、一価の反応基を含み、いくつかの実施例では、１〜３個のＲ１が、一価の反応基を含む。

本明細書で使用するとき、「一価反応基」は、フリーラジカル及び／又はカチオン重合を受ける場合がある基である。フリーラジカル反応基の非限定的な例としては、（メタ）アクリレート、スチリル、ビニル、ビニルエーテル、Ｃ１〜６アルキル（メタ）アクリレート、（メタ）アクリルアミド、Ｃ１〜６アルキル（メタ）アクリルアミド、Ｎ−ビニルラクタム、Ｎ−ビニルアミド、Ｃ２〜５アルケニル、Ｃ２〜５アルケニルフェニル、Ｃ２〜５アルケニルナフチル、Ｃ２〜６アルケニルフェニルＣ１〜６アルキル、Ｏ−ビニルカルバメート、及びＯ−ビニルカーボネートが挙げられる。カチオン反応性基の非限定例としては、ビニルエーテル又はエポキシド基、及びこれらの混合物が挙げられる。一実施形態では、フリーラジカル反応性基は、（メタ）アクリレート、アクリルオキシ、（メタ）アクリルアミド、及びそれらの混合物を含む。

好適な一価アルキル基及びアリール基としては、置換及び非置換のメチル、エチル、プロピル、ブチル、２−ヒドロキシプロピル、プロポキシプロピル、ポリエチレンオキシプロピル、これらの組み合わせなどの非置換の一価Ｃ１〜Ｃ１６アルキル基、Ｃ６〜Ｃ１４アリール基が挙げられる。

１つの実施例では、ｂはゼロであり、１つのＲ１は一価の反応基であり、少なくとも３つのＲ１は、１〜１６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択され、他の実施例においては、１〜６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択される。この実施形態のシリコーン成分の非限定例としては、２−メチル−、２−ヒドロキシ−３−［３−［１，３，３，３−テトラメチル−１−［（トリメチルシリル）オキシ］ジシロキザニル］プロポキシ］プロピルエステル（「ＳｉＧＭＡ」）、
２−ヒドロキシ−３−メタクリルオキシプロピルオキシプロピル−トリ（トリメチルシロキシ）シラン、
３−メタクリルオキシプロピルトリス（トリメチルシロキシ）シラン（「ＴＲＩＳ」）、
３−メタクリルオキシプロピルビス（トリメチルシロキシ）メチルシラン、及び
３−メタクリルオキシプロピルペンタメチルジシロキサンが挙げられる。

別の実施例では、ｂは、２〜２０、３〜１５であり、又はいくつかの実施例では３〜１０であり、少なくとも１個の末端Ｒ１が一価の反応性基を含み、残りのＲ１は、１〜１６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択され、又は別の実施形態では１〜６個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択される。更に別の一実施形態では、ｂが３〜１５であり、１つの末端Ｒ１が一価の反応性基を含み、もう一方の末端Ｒ１が１〜６の炭素原子を有する一価のアルキル基を含み、残余のＲ１が１〜３個の炭素原子を有する一価のアルキル基を含む。本実施形態のシリコーン成分の非限定例としては、（モノ−（２−ヒドロキシ−３−メタクリルオキシプロピル）−プロピルエーテル末端のポリジメチルシロキサン（４００〜１０００ＭＷ））（「ＯＨ−ｍＰＤＭＳ」）、モノメタクリルオキシプロピル末端のモノ−ｎ−ブチル末端のポリジメチルシロキサン（８００〜１０００ＭＷ）、（「ｍＰＤＭＳ」）が挙げられる。

別の実施例では、ｂは５〜４００又は１０〜３００であり、両方の末端Ｒ１は一価の反応基を含み、残りのＲ１は独立して、炭素原子間にエーテル結合を有し、更にハロゲンを含み得る、１〜１８個の炭素原子を有する一価のアルキル基から選択される。

シリコーンハイドロゲルレンズが望ましい、１つの実施例では、本発明のレンズは、ポリマーがそれから作成される反応性モノマー成分の総重量に基づいて、少なくとも約２０、好ましくは約２０〜７０重量％のシリコーン含有成分を含む反応性混合物から作成されることになる。

他の実施形態では、１〜４個のＲ１は、下式のビニルカーボネート又はビニルカルバメートを含む。

式中、Ｙは、Ｏ−、Ｓ−、又はＮＨ−を示し、
Ｒは、水素又はメチルであり、ｄは、１、２、３、又は４であり、ｑは０又は１である。

シリコーン含有ビニルカーボネート又はビニルカルバメートモノマーとしては、特に、１，３−ビス［４−（ビニルオキシカルボニルオキシ）ブタ−１−イル］テトラメチル−ジシロキサン；３−（ビニルオキシカルボニルチオ）プロピル−［トリス（トリメチルシロキシ）シラン］；３−［トリス（トリメチルシロキシ）シリル］プロピルアリルカルバメート；３−［トリス（トリメチルシロキシ）シリル］プロピルビニルカルバメート；トリメチルシリルエチルビニルカーボネート；トリメチルシリルメチルビニルカーボネート、及び以下が挙げられる。

約２００未満の弾性率を有する生物医学的装置が所望される場合、１個のＲ１のみが一価反応性基を含むものとし、残りのＲ１基のうちの２個以下は、一価シロキサン基を含む。

別の種類のシリコーン含有成分としては、次式のポリウレタンマクロマーが挙げられる。
式ＩＶ〜ＶＩ
（^＊Ｄ^＊Ａ^＊Ｄ^＊Ｇ）ａ^＊Ｄ^＊Ｄ^＊Ｅ１、
Ｅ（^＊Ｄ^＊Ｇ^＊Ｄ^＊Ａ）ａ^＊Ｄ^＊Ｇ^＊Ｄ^＊Ｅ１又は
Ｅ（^＊Ｄ^＊Ａ^＊Ｄ^＊Ｇ）ａ^＊Ｄ^＊Ａ^＊Ｄ^＊Ｅ１、
（式中、
Ｄは６〜３０個の炭素原子を有するアルキルジラジカル、アルキルシクロアルキルジラジカル、シクロアルキルジラジカル、アリールジラジカル、又はアルキルアリールジラジカルを示し、
Ｇは、１〜４０個の炭素原子を有するアルキルジラジカル、シクロアルキルジラジカル、アルキルシクロアルキルジラジカル、アリールジラジカル又はアルキルアリールジラジカルを示し、これは、主鎖中にエーテル、チオ又はアミン結合を含有し得、
^＊はウレタン又はウレイド結合を示し、
ａは少なくとも１であり、
Ａは次式の二価の重合ラジカルを示す。

Ｒ１１は、独立して、炭素原子間にエーテル結合が含まれていてもよい、１〜１０個の炭素原子を有するアルキル又はフッ素置換アルキル基を示し、ｙは、少なくとも１であり、ｐは、４００〜１０，０００の部分重量を提供し、Ｅ及びＥ１は各々独立して、下式によって表される重合性不飽和有機基を示す。

式中、Ｒ５は、水素又はメチルであり、Ｒ１３は水素、炭素原子１〜６個を有するアルキルラジカル、又は−ＣＯ−Ｙ−Ｒ１５ラジカルであり、Ｙは−Ｏ−、Ｙ−Ｓ−又は−ＮＨ−であり、Ｒ１４は炭素原子１〜５個の炭素原子を有する二価のラジカルであり、Ｘは−ＣＯ−又は−ＯＣＯ−を示し、Ｚは−Ｏ−又は−ＮＨ−を示し、Ａｒは炭素原子６〜３０個を有する芳香族ラジカルを示し、ｗは０〜６であり、ｘは０又は１であり、ｙは０又は１であり、ｚは０又は１である。

１つの好ましいシリコーン含有成分は、次式で表されるポリウレタンマクロマーである。

式中、Ｒ１６は、イソホロンジイソシアネートのジラジカルなどイソシアネート基除去後のジイソシアネートのジラジカルである。別の好適なシリコーン含有マクロマーは、フルオロエーテル、ヒドロキシ末端ポリジメチルシロキサン、イソホロンジイソシアネート、及びイソシアネートエチルメタクリレートの反応によって形成される、式Ｘ（式中、ｘ＋ｙは１０〜３０の範囲の数である）の化合物である。

本発明で使用するのに好適な他のシリコーン含有成分には、ポリシロキサン、ポリアルキレンエーテル、ジイソシアネート、ポリフッ化炭化水素、ポリフッ化エーテル及びポリサッカライド基を含有するマクロマー；末端ジフルオロ置換炭素原子に結合した水素原子を有する、極性フッ素化グラフト又は側基を有するポリシロキサン；エーテル及びシロキサニル結合を含む親水性シロキサニルメタクリレート；並びに、ポリエーテル及びポリシロキサニル基を含む架橋性モノマーが挙げられる。いくつかの実施例において、ポリマー主鎖は、双極性イオンが組み込まれている。これらの双極性イオンは、材料が溶媒中に存在するときに、ポリマー鎖に沿って両極の電荷を呈し得る。双極性イオンの存在は、重合した材料の湿潤性を改善し得る。いくつかの実施例では、上記のポリシロキサンのいずれかが、本発明の封入層として使用されてもよい。

ポリマー電解質電池を使用する生物医学的装置
生体適合性電池は、例えば、ペースメーカー及びマイクロエネルギーハーベスタなどの埋め込み型電子装置、生物学的機能のモニタリング及び／又は検査を行うための電子ピル、活性成分を備える外科用装置、眼科用装置、マイクロサイズのポンプ、除細動器、ステントなどの生体適合性装置内で使用されてもよい。

具体的な実施例は、生体適合性電池で使用するためのカソード混合物のサンプル実施形態を説明するために記載されている。これらの実施例は、上記の例示のためであり、いかなる方式でも特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、本説明は、当業者には明らかであり得る全ての実施例を含むことを意図する。

ここで図示及び説明した実施形態は、最も実用的で好適な実施形態と考えられるが、当業者であれば、ここに図示及び開示した特定の設計及び方法からの変更はそれ自体当業者にとって自明であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく使用できることは明らかであろう。本発明は、記載し例証した特定の構成に限定されないが、添付の特許請求の範囲に含まれ得る全ての修正と一貫するように構成されているべきである。

〔実施の態様〕
（１） 生物医学的装置であって、
電気活性構成要素、
アノード集電体、カソード集電体、アノード、イオン種を含むポリマー電解質、及び遷移金属酸化物カソード、を含む電池、及び
少なくとも前記電気活性構成要素及び前記電池を封入する第１生体適合性封入層、を含む、生物医学的装置。
（２） 前記アノードは亜鉛を含み、
前記アノード及び前記アノード集電体は単層であり、
前記遷移金属酸化物カソードはマンガンを含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（３） 前記電解質の組成は、ポリ（フッ化ビニリデン）を含む、実施態様２に記載の生物医学的装置。
（４） 前記電解質の組成は、亜鉛イオンを含む、実施態様３に記載の生物医学的装置。
（５） 前記二酸化マンガンカソードの組成は、ジェットミル粉砕された電解二酸化マンガンを含む、実施態様４に記載の生物医学的装置。

（６） 前記二酸化マンガンカソードの組成は、ポリ（フッ化ビニリデン）を含む、実施態様４に記載の生物医学的装置。
（７） 前記二酸化マンガンカソードの組成は、カーボンブラックを含む、実施態様６に記載の生物医学的装置。
（８） 前記亜鉛アノードは亜鉛箔である、実施態様７に記載の生物医学的装置。
（９） 前記電池は、外部接点を作製するのに使用されない電池部分を囲む封入フィルム中に封止部を含む、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１０） 前記電池の厚さが、前記電池の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、１ｍｍ未満である、実施態様１に記載の生物医学的装置。

（１１） 前記電池の厚さが、前記電池の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、５００マイクロメートル未満である、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１２） 前記電池の厚さが、前記電池の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、２５０マイクロメートル未満である、実施態様１に記載の生物医学的装置。
（１３） 前記電池の形状は曲線状である、実施態様１２に記載の生物医学的装置。
（１４） 電池の製造方法であって、
カソード集電体フィルムを得ることであって、前記カソード集電体フィルムはチタンを含む、ことと、
前記カソード集電体フィルムをカーボンコーティングでコーティングすることと、
前記カーボンコーティング上に遷移金属酸化物スラリーを堆積させることと、
前記遷移金属酸化物堆積物を乾燥させることと、
イオン性構成要素を含むポリマー電解質を形成することと、
前記ポリマー電解質を前記遷移金属酸化物堆積物に積層化することと、
前記ポリマー電解質を乾燥させることと、
金属箔を前記ポリマー電解質に積層化することと、
前記金属箔、ポリマー電解質、遷移金属酸化物堆積物、及びカソード集電体を、生体適合性封入フィルムに封入することと、
生体適合性封入フィルム中の前記封入された金属箔、ポリマー電解質、遷移金属酸化物堆積物、及びカソード集電体から、電池素子を個片化することと、
を含む、方法。
（１５） 前記遷移金属酸化物はマンガンを含み、前記金属箔は亜鉛を含み、前記イオン性構成要素は亜鉛を含む、実施態様１４に記載の方法。

（１６） 前記個片化された電池素子が、前記個片化された電池素子の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、１ｍｍ未満である厚さを有する、実施態様１５に記載の方法。
（１７） 前記個片化された電池素子が、前記個片化された電池素子の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、５００マイクロメートル未満である厚さを有する、実施態様１５に記載の方法。
（１８） 前記個片化された電池素子が、前記個片化された電池素子の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、２５０マイクロメートル未満である厚さを有する、実施態様１５に記載の方法。
（１９） 前記個片化された電池素子の形状は曲線状である、実施態様１５に記載の方法。
（２０） 生物医学的装置の通電方法であって、
カソード集電体フィルムを得ることであって、前記カソード接触フィルムはチタンを含む、ことと、
前記カソード集電体フィルムをカーボンコーティングでコーティングすることと、
前記カーボンコーティング上に二酸化マンガンスラリーを堆積させることと、
前記二酸化マンガン堆積物を乾燥させることと、
イオン性構成要素を含むポリマー電解質を形成することと、
前記ポリマー電解質を前記マンガン堆積物に積層化することと、
前記ポリマー電解質を乾燥させることと、
亜鉛箔を前記ポリマー電解質に積層化することと、
前記亜鉛箔、ポリマー電解質、二酸化マンガン堆積物、及びカソード集電体を、第１生体適合性封入層に封入することと、
前記アノード集電体を電気活性装置に接続することと、
前記カソード集電体を前記電気活性装置に接続することと、
前記層状構造及び電気活性装置を第２生体適合性封入層に封入して、生物医学的装置を形成することと、
を含む、方法。

Claims (20)

1. 生物医学的装置であって、
   電気活性構成要素、
   アノード集電体、カソード集電体、アノード、イオン種を含むポリマー電解質、及び遷移金属酸化物カソード、を含む電池、及び
   少なくとも前記電気活性構成要素及び前記電池を封入する第１生体適合性封入層、を含む、生物医学的装置。
2. 前記アノードは亜鉛を含み、
   前記アノード及び前記アノード集電体は単層であり、
   前記遷移金属酸化物カソードはマンガンを含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
3. 前記電解質の組成は、ポリ（フッ化ビニリデン）を含む、請求項２に記載の生物医学的装置。
4. 前記電解質の組成は、亜鉛イオンを含む、請求項３に記載の生物医学的装置。
5. 前記二酸化マンガンカソードの組成は、ジェットミル粉砕された電解二酸化マンガンを含む、請求項４に記載の生物医学的装置。
6. 前記二酸化マンガンカソードの組成は、ポリ（フッ化ビニリデン）を含む、請求項４に記載の生物医学的装置。
7. 前記二酸化マンガンカソードの組成は、カーボンブラックを含む、請求項６に記載の生物医学的装置。
8. 前記亜鉛アノードは亜鉛箔である、請求項７に記載の生物医学的装置。
9. 前記電池は、外部接点を作製するのに使用されない電池部分を囲む封入フィルム中に封止部を含む、請求項１に記載の生物医学的装置。
10. 前記電池の厚さが、前記電池の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、１ｍｍ未満である、請求項１に記載の生物医学的装置。
11. 前記電池の厚さが、前記電池の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、５００マイクロメートル未満である、請求項１に記載の生物医学的装置。
12. 前記電池の厚さが、前記電池の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、２５０マイクロメートル未満である、請求項１に記載の生物医学的装置。
13. 前記電池の形状は曲線状である、請求項１２に記載の生物医学的装置。
14. 電池の製造方法であって、
    カソード集電体フィルムを得ることであって、前記カソード集電体フィルムはチタンを含む、ことと、
    前記カソード集電体フィルムをカーボンコーティングでコーティングすることと、
    前記カーボンコーティング上に遷移金属酸化物スラリーを堆積させることと、
    前記遷移金属酸化物堆積物を乾燥させることと、
    イオン性構成要素を含むポリマー電解質を形成することと、
    前記ポリマー電解質を前記遷移金属酸化物堆積物に積層化することと、
    前記ポリマー電解質を乾燥させることと、
    金属箔を前記ポリマー電解質に積層化することと、
    前記金属箔、ポリマー電解質、遷移金属酸化物堆積物、及びカソード集電体を、生体適合性封入フィルムに封入することと、
    生体適合性封入フィルム中の前記封入された金属箔、ポリマー電解質、遷移金属酸化物堆積物、及びカソード集電体から、電池素子を個片化することと、
    を含む、方法。
15. 前記遷移金属酸化物はマンガンを含み、前記金属箔は亜鉛を含み、前記イオン性構成要素は亜鉛を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記個片化された電池素子が、前記個片化された電池素子の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、１ｍｍ未満である厚さを有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記個片化された電池素子が、前記個片化された電池素子の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、５００マイクロメートル未満である厚さを有する、請求項１５に記載の方法。
18. 前記個片化された電池素子が、前記個片化された電池素子の範囲の少なくとも第１の寸法に沿って、２５０マイクロメートル未満である厚さを有する、請求項１５に記載の方法。
19. 前記個片化された電池素子の形状は曲線状である、請求項１５に記載の方法。
20. 生物医学的装置の通電方法であって、
    カソード集電体フィルムを得ることであって、前記カソード接触フィルムはチタンを含む、ことと、
    前記カソード集電体フィルムをカーボンコーティングでコーティングすることと、
    前記カーボンコーティング上に二酸化マンガンスラリーを堆積させることと、
    前記二酸化マンガン堆積物を乾燥させることと、
    イオン性構成要素を含むポリマー電解質を形成することと、
    前記ポリマー電解質を前記マンガン堆積物に積層化することと、
    前記ポリマー電解質を乾燥させることと、
    亜鉛箔を前記ポリマー電解質に積層化することと、
    前記亜鉛箔、ポリマー電解質、二酸化マンガン堆積物、及びカソード集電体を、第１生体適合性封入層に封入することと、
    前記アノード集電体を電気活性装置に接続することと、
    前記カソード集電体を前記電気活性装置に接続することと、
    前記層状構造及び電気活性装置を第２生体適合性封入層に封入して、生物医学的装置を形成することと、
    を含む、方法。

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