JP2019009121A - 無電解密閉層を有する生物医学的装置のための充電可能な生体適合性通電素子 - Google Patents

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A Flitsch Frederick
ミルバーン・エベニーザー・ムス
Ebenezer Muthu Millburn
ランドール・ビー・ピュー
B Pugh Randall
アダム・トナー
Toner Adam
ローレンス・エドワード・ウェインステイン
Edward Weinstein Lawrence
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Abstract

【課題】 生体適合性通電素子を形成するための方法及び器具を提供すること。【解決手段】 いくつかの実施形態では、生体適合性通電素子を形成するための方法及び器具は、活性カソード化学物質を含むキャビティを形成することを含む。カソード及びアノードの活性素子は、生体適合性材料のラミネート積層体で封止される。いくつかの実施形態では、本方法及び器具の使用分野は、通電素子を必要とする任意の生体適合性装置又は製品を含み得る。【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６２／０４０，１７８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１４／７４６，１７８号（２０１５年６月２６日に出願）の一部継続出願である。当該特許出願の内容は、信頼ある引例としてここに引用することによって本明細書に組み込まれる。
（発明の分野）
生体適合性通電素子を形成するための方法及び器具が説明される。いくつかの実施形態では、生体適合性通電素子を形成するための方法及び器具は、通電素子のセパレータ素子の形成を含む。アノード、カソード、及び電解質を含む活性素子は、電気化学的に接続され得、かつ形成されたセパレータ素子と相互作用し得る。活性素子は、複数の使用工程において電池が放電及び再充電され得るように構成されてよい。いくつかの実施形態では、本方法及び器具の使用分野は、通電素子を必要とする任意の生体適合性装置又は製品を含み得る。
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。これらの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、能動部品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。追加機能及び上記医療用装置の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、理論化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、半導体デバイスなどの部品を含んでよい。しかしながら、かかる半導体構成要素は、エネルギーを必要とする。したがって、かかる生体適合性装置も、好ましくは、通電素子を含むべきである。生体適合性装置のトポロジー及び比較的小さい寸法は、様々な機能を定義するために、新規かつ困難な環境をもたらす。多くの実施形態では、生体適合性装置内の半導体部品を通電するために安全性及び信頼性を備え、小型かつ費用効率の高い手段を提供することが重要である。
したがって、生体適合性装置内又はその上に埋め込むための生体適合性通電素子を形成する新規な実施形態に対するニーズが存在し、その場合、電池素子の構造は、通電素子の化学成分のための改善された封じ込め、並びに通電素子内に収容される化学成分の量に対する改善された制御を提供する。
したがって、電池化学物質を有意に含有することができる構造体を作製しながら、製造上の利点を提供する、生体適合性通電素子を形成するための方法及び器具が開示される。更に、電池素子内部に見出される通電素子の量を固有に制御するための構造設計も提供され得る。
一般的な一態様は、ギャップスペーサ層を更に含むことができる生体適合性通電素子を含む。生体適合性通電素子はまた、ギャップスペーサ層内に位置付けられた少なくとも第１の孔を含み得る。生体適合性通電素子は、カソードスペーサ層も含んでよく、カソードスペーサ層はギャップスペーサ層に取り付けられる。生体適合性通電素子はまた、カソードスペーサ層内に位置付けられた少なくとも第２の孔を含んでもよく、第２の孔は第１の孔と整列され、第１の孔と第２の孔とが整列されるときに、第１の孔の中に露出するカソードスペーサ層の隆起部が存在するように、第２の孔は第１の孔よりも小さい。生体適合性通電素子はまた、セパレータ層を含んでもよく、セパレータ層は、ギャップスペーサ層内の第１の孔の内部に定置され、かつカソードスペーサ層の隆起部に接着される。生体適合性通電素子はまた、第２の孔の側面と、セパレータ層の第１の表面との間にキャビティを含んでもよく、キャビティはカソード化学物質で充填される。生体適合性通電素子はまた、アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体を含んでもよい。生体適合性通電素子はまた、第２の集電体を含んでもよく、第２の集電体はカソード化学物質に電気的に接続している。生体適合性通電素子はまた、電解質化学物質を含む電解質を含んでもよい。生体適合性通電素子はまた、めっきされた金属外部コーティングも含み、めっきされた金属外部コーティングは、無電解めっきでめっきされた部分を含み、めっきされた金属外部コーティングの厚さは、生化学的通電素子への水分の出入りに対するバリアとして働くように十分に厚い。無電解めっきには、めっきされた金属外部コーティングにおいて銅層を堆積させる銅ベースの化学物質が含まれてもよい。いくつかの例では、生体適合性通電素子において、めっきされた金属外部コーティングのアノード接点及びカソード接点のうちの１つ又は２つ以上の領域における形成がブロッキング材料によって阻止される部分が存在する場合がある。
実現形態は、以下の１つ以上の特徴を含んでもよい。生体適合性通電素子であって、カソード化学物質、アノード化学物質、及び電解質化学物質が通電の複数の充電及び放電サイクルに適合する、生体適合性通電素。生体適合性通電素子はまた、カソード化学物質がリチウムの塩を含む実施例を含んでもよい。生体適合性通電素子は、リン酸鉄リチウムを含み得る。生体適合性通電素子はまた、挿入された金属原子を含み得る。生体適合性通電素子はまた、挿入されたリチウム原子を含み得る。生体適合性通電素子はまた、鉛、ニッケル、リチウム、コバルト、亜鉛、ナトリウム、バナジウム、銀、又はシリコンのうちの１つ又は複数を含み得る。生体適合性通電素子はまた、カルボキシメチルセルロースナトリウムを含み得る。生体適合性通電素子はまた、カソード化学物質が合成黒鉛及びカーボンブラックのうちの１つ又は複数を含む実施例を含み得る。生体適合性通電素子はまた、カソード化学物質がスチレンブタジエンゴムのうちの１つ又は複数を含む実施例を含み得る。生体適合性通電素子はまた、六フッ化リン酸リチウム（lithium hexafluorophosate）を含み得る。生体適合性通電素子は、生体適合性通電素子が生物医学的装置内の電気活性素子に電気的に接続される実施例を含み得る。生体適合性通電素子はまた、生物医学的装置が眼科用装置である実施例を含み得る。いくつかの実施例において、眼科用装置は、コンタクトレンズであり得る。
生体適合性通電素子はまた、電解質が六フッ化リン酸リチウムを含む実施例を含み得る。生体適合性通電素子はまた、セパレータ前駆体混合物が、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ジメチルシロキサン）、ｎ−ｎジメチルアセトアミド）のうちの１つ又は複数を含む実施例を含み得る。更なる実施例はまた、グリセロールを含み得る。生体適合性通電素子は、生物医学的装置内に含まれてもよい。
一般的な一態様は、眼科用装置内に含まれ得る生体適合性通電素子を含み、眼科用装置はコンタクトレンズである。生体適合性通電素子はまた、カソードスペーサ層と、少なくとも、カソードスペーサ層内に位置する第１の孔と、アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体であって、第１の集電体は、カソードスペーサ層の第１の表面に取り付けられ、第１のキャビティは、第１の孔の側面と、アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体の第１の表面との間に形成される、第１の集電体と、セパレータ層であって、セパレータ層は、セパレータ前駆体混合物がキャビティ内に分配された後に、第１のキャビティ内に形成される、セパレータ層と、第１の孔の側面と、セパレータ層の第１の表面との間の第２のキャビティであって、第２のキャビティはカソード化学物質で充填される、第２のキャビティと、第２の集電体であって、第２の集電体はカソード化学物質と電気的に接続している、第２の集電体と、電解質とを含み得る。実現形態は、生体適合性通電素子であって、カソード化学物質、アノード化学物質、及び電解質化学物質が、通電素子の複数の充電及び放電サイクルに適合する、生体適合性通電素子、を含み得る。
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。 例示的な電池設計の個々のセルの例示的な寸法及び形状を示す。 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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 生物医学的装置用の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。 例示的な、完全に形成された生体適合性通電素子を示す。 生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替の電気めっき法を用いた、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替の電気めっき法を用いた、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替の電気めっき法を用いた、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替の電気めっき法を用いた、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替の電気めっき法を用いた、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替の電気めっき法を用いた、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 生物医学的装置用のヒドロゲルセパレータを有する、生体適合性通電素子の形成のための例示的な方法工程を示す。 代替のセパレータ加工実施形態を利用する、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替のセパレータ加工実施形態を利用する、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 代替のセパレータ加工実施形態を利用する、生体適合性通電素子の構造形成のための例示的な方法工程を示す。 めっきが施された、完全に形成された生体適合性通電素子の側断面図を示す。 めっきが施された、完全に形成された生体適合性通電素子の上面図を示す。
三次元の生体適合性通電素子を形成するための方法及び器具が本出願において開示される。通電素子内のセパレータ素子は、新規な方法で形成することができ、かつ新規な材料を含むことができる。以下の項において、様々な実施形態の詳細な説明が記載される。好ましい実施形態及び代替的実施形態の双方の説明は、単なる例示的な実施形態に過ぎず、当業者であれば、様々な修正及び変更が明らかになるであろう。したがって、例示の実施形態は、本出願の範囲を制限するものではない。三次元の生体適合性通電素子は、生物の身体内又はこれに近接して使用するために設計される。
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。
本明細書で使用される「アノード」とは、この電極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、電気活性物質、電解質、ポリマーなどを挙げることができる。
本明細書で使用するとき、「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、生体適合性デバイスは、生体系に毒性又は有害な影響を及ぼさない。
本明細書で使用される「カソード」とは、電極を指し、この電極を通って電流が有極電気装置から流出する。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、「コーティング」は、材料の薄型堆積物を指す。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「通電デバイス」は、エネルギーを供給できるか、論理的デバイス又は電気的デバイスを通電された状態にすることができる、任意のデバイス又は層を指す。通電素子は、電池を含み得る。電池は、アルカリ型セル用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つ又は複数の通電素子用セパレータを指す。一般的に、充填剤は、実質的に水不溶性の材料（例えばカーボンブラック；炭じん；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、及びスズのもの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のものなどの金属炭酸塩；雲母、モンモリロナイト、カオリナイト、アタパルジャイト、及びタルクなどの無機塩類；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；中空又は中実のポリマー又はガラス製ミクロスフェア、フレーク、及びファイバーなど）を含んでもよい。
本明細書において用いられる場合、「フィルム」とは、被覆又はコーティングとして機能し得る材料の薄層を指すが、積層構造体中では、フィルムは典型的には、上表面、下表面、及び本体部を有する平坦な層にほぼ等しいが、典型的にはその本体部は、その層の範囲よりずっと薄い。
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。いくつかの好ましい成形型は、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、特定の速度で、かつ特定の再定義された時間にわたって電流を流す能力に復元される能力に関連し得る。
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。多くの使用は、特定の速度で、かつ特定の再定義された時間にわたって電流を流すことができる能力まで装置を復元することに関連し得る。
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。いくつかの実施形態では、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得る。
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器具は、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実施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
本開示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、制御電圧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に示すように、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の下に図示され得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。回路１０５（集積回路の形態であってもよい）は、基板１１１及びその相互接続特徴部１２５に電気的及び物理的に接続してもよい。
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と、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、インサートの封入を形成し、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の別の実施例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。平型素子が回路素子１６３に接続されていてよく、図１Ｃの実施例では、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、本開示において既に説明したように三次元円錐構造に曲げられてもよい。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、物理的に安定化させることができる。図１Ｄを参照すると、この三次元円錐構造１８０を示す図を見出すことができる。物理的及び電気接触点１８１もまた見出すことができ、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。
セグメント化された電池配列
図２を参照すると、コンタクトレンズタイプの実施例のための例示的な電池素子の、異なるタイプのセグメント化された電池配列の実施例が示されている。セグメント化された構成要素は、比較的円形状２７１、正方形状２７２、又は矩形状であってよい。矩形状の例では、矩形は、小さい矩形形状２７３、それより大きい矩形形状２７４、又は大きい矩形形状２７５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の実施例は、アノード接続部３１１及びカソード接続部３１２と共に描かれ得る。図３Ｂを参照すると、電池素子の円形の輪郭３３０の実施例は、アノード接続部３３１及びカソード接続部３３２と共に描かれ得る。
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。
電池の生体適合性の側面
一例として、本開示による電池は、安全性及び生体適合性に関する重要な側面を有し得る。いくつかの例では、生物医学的装置用電池は、典型的な使用例で求められる要件以上の要件を満たす必要がある。いくつかの例では、設計的側面は、ストレスを与える事象に関連するものが考えられる。例えば、電子コンタクトレンズの安全性は、レンズの挿入又は取り外しの際にユーザーがレンズを破壊した場合を考慮する必要があり得る。別の例では、設計的側面は、ユーザーの目に異物が当たる可能性を考慮してもよい。設計のパラメータ及び制約を生じさせ得ると考えられるストレスの多い状況の更なる例は、非限定的な例として、水中環境又は高地環境のような厳しい環境においてユーザーがレンズを装着する可能性に関する場合がある。
こうした装置の安全性は、装置を作製する材料、装置を製造する際に使用するこうした材料の量、更には、周囲環境又は体内環境から装置を隔てるために適用されるパッケージの影響を受ける場合がある。一例において、ペースメーカーは、電池を含む場合があり、かつ長期間にわたってユーザーの体内に埋め込まれる可能性がある、典型的な種類の生物医学的装置であり得る。したがって、いくつかの例では、そのようなペースメーカーは、典型的には、溶接されたチタン気密容器で、又は他の例では、複数の封入層でパッケージ化され得る。新たに出現した電動式生物医学的装置は、パッケージング（特に電池パッケージング）に関する新たな課題を提示し得る。こうした新たな装置は、既存の生物医学的装置よりもかなり小さい場合があり、例えば、電子コンタクトレンズ又はピルカメラは、ペースメーカーよりも大幅に小さい場合がある。そのような例では、パッケージングのために利用可能な体積及び面積は、大幅に減少する可能性がある。
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、電池装置上のデバイス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、典型的には、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機能部寸法によって差別化され得る。この物理的形状は、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で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」又は「閾値」電圧の定格標準と関連付けることができる。例えば、最小機能部寸法が０．５ミクロンのノードにおいては、ターンオン電圧が５．０ＶのＦＥＴを見つけるのはありふれたことであり得る。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製造工場は、ある特定の電圧範囲での使用に特徴付けられ、定格を定められた、例えばインバーターやフリップフロップのようなデジタルブロックの標準的なセルを供給し得る。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、接続されたこのようなデバイスは、一般的なＩＣプロセスノードよりも高い動作電圧条件を必要とする場合があり、例えば、可変焦点レンズは、起動するために３５Ｖを必要とすることがある。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は、超小型電池の作動パラメータも考慮すると、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得る。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、適切な、かつ通常は指定された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。
セルを直列に接続して電圧を増加させてもよいが、この組み合わせは、サイズ、内部抵抗、及び電池複雑さに対する代償を伴う場合がある。セルは、抵抗を低下させかつ容量を増大させるために並列構成で組み合わされてもよいが、そのような組み合わせでは、寸法と有効寿命（Shelf life）がトレードオフとなる場合がある。
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、マイクロアンペア時間などの単位で指定することができる。１マイクロアンペアの電流を１時間供給することができる電池は、１マイクロアンペア時の容量を有する。容量は、典型的には、電池装置内の反応物質の質量（したがって体積）を増加させることによって増加させられ得る。しかしながら、生物医学的装置は利用可能な体積に対して著しく制約される場合があることが理解され得る。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、ピコアンペアから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得る。このピーク電流は、数十ミリアンペア以上に及ぶ場合がある。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。そのような規格は新しい製品のために変更されないということが、典型的には望ましい場合がある。有効寿命要件はまた、超小型電池を含む装置の流通方法、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。
いくつかの実施形態では、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り得る。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。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を空間的に隔てることができるが、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になり得る。
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部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、電池封止部を通過した後、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。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例では、電池相互接続により外部回路との接続が可能となってもよい。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部を貫通するので、相互接続が封止部と共存し、かつ封止を可能にすることが非常に重要であり得る。封止部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、封止部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つの部類は、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。
電解質
電解質は、電極の化学物質の間で生じる化学反応を促進する、電池の構成要素である。典型的な電解質は、電極に対して電気化学的に活性であってもよく、例えば、酸化還元反応を生じさせる。いくつかの例では、この重要な電気化学的活性は、生体適合性である装置を作る上での課題を生じさせる場合がある。例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）は、アルカリ電池でよく使用される電解質であり得る。この物質は、高濃度で高いｐＨを有し、様々な生体組織に対して不都合に作用する場合がある。一方、いくつかの例では、電気化学的に活性の低い電解質を使用することができる。しかし、これらの材料は、典型的には、セル電圧の低下やセル抵抗の増加など、電気的性能を低下させることがある。したがって、生物医学超小型電池の設計及びエンジニアリングの重要な側面の１つは、電解質であり得る。電解質は、電気的要件を満たすのに十分なほど活性であると同時に、身体内又は身体上で使用しても比較的安全であるのが望ましくあり得る。
様々な試験シナリオを用いて、生体細胞に対する電池構成要素（特に電解質）の安全性を判定することができる。これら試験の結果を、電池パッケージの試験と共に用いることにより、要件を満たすことができる電池システムのエンジニアリング設計が可能となり得る。例えば、電動式コンタクトレンズを開発する場合、電池電解質をヒト角膜細胞モデル上で試験してもよい。こうした試験は、電解質濃度、暴露時間、及び添加剤に関する実験を含み得る。こうした試験の結果は、細胞代謝及び他の生理学的側面を示す場合がある。試験はまた、動物及びヒトに対する生体内試験を含んでもよい。
本発明で使用する電解質は、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、酢酸アンモニウム、及び塩化アンモニウムを、約０．１％〜２５％の質量濃度で含んでいてもよい。具体的な濃度は、電気化学的活性、電池性能、貯蔵寿命、封止完全性、及び生体適合性に依存する場合がある。
いくつかの例では、電池システムの組成物中で数種類の添加剤を使用してもよい。添加剤を電解質ベースに混入させて、電解質ベースの特性を変化させてもよい。例えば、寒天などのゲル化剤は、電解質が包装から漏れ出す能力を低下させることができ、それにより安全性が高くなる。例えば、望ましくない亜鉛アノードの電解質中への溶解を低減させることによって有効寿命を長くするために、腐食防止剤を電解質に添加してもよい。腐食防止剤には、非限定的な例としてＴｒｉｔｏｎ（登録商標）ＱＳ−４４及び酢酸インジウムを挙げることができる。こうした防止剤は、電池の安全性プロファイルに良い及ぼす場合と悪い影響を及ぼす場合とがあり得る。例えば、電解質がセパレータを濡らすことができるように、又は電解質を電池パッケージ内に充填することができるように、湿潤剤又は界面活性剤を添加してもよい。この場合も同様に、こうした湿潤剤は安全性にとって良い場合と悪い場合とがある。電解質に界面活性剤を添加することにより、セルの電気インピーダンスが増大する場合があるので、所望の湿潤性又は他の特性を達成できる下限濃度の界面活性剤を使用すべきである。例示的な界面活性剤としては、０．０１％〜２％の濃度の、Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００、Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）ＱＳ４４、及びＤｏｗｆａｘ（登録商標）３Ｂ２を挙げることができる。
電解質配合物の一実施例は、２０％の塩化亜鉛、５００ｐｐｍのＴｒｉｔｏｎ（登録商標）ＱＳ−４４、酢酸インジウムとして供給される２００ｐｐｍのインジウム＋３イオン、及び残部の水であり得る。
生物医学超小型電池の安全性プロファイルを飛躍的に改善することができる新規な電解質も登場してきている。例えば、ある種類の固体電解質は、好適な電気的性能を提供しながらも、漏れに対する耐性を本来的に有している場合がある。
「塩水」電解液を使用する電池は、海上で使用するための保存型電池内で一般的に使用される。魚雷、ブイ、及び非常時用照明は、こうした電池を使用する場合がある。保存型電池は、活性物質、電極、及び電解質が、使用時まで分離されている電池である。この分離により、セルの自己放電は大幅に低減され、有効寿命は大幅に延長される。塩水電池は、亜鉛、マグネシウム、アルミニウム、銅、スズ、二酸化マンガン、及び酸化銀などの様々な電極材料から設計されてもよい。電解質は、実際の塩水であってもよく（例えば、接触すると電池が海水で満たされる）、又は特別にエンジニアリングされた生理食塩水製剤であってもよい。このタイプの電池は、コンタクトレンズに特に有用であり得る。生理食塩電解液は、水酸化カリウム及び塩化亜鉛のような古典的な電解質より優れた生体適合性を有し得る。コンタクトレンズは「包装用溶液」内で保存され、このパッケージ用溶液は、典型的には、塩化ナトリウムと、おそらくは他の塩及び緩衝剤との混合物である。この溶液は、亜鉛アノード及び二酸化マンガンカソードと組み合わされる電池電解質であることが明らかにされている。他の電解質と電極の組み合わせが可能である。「塩水」電池を使用するコンタクトレンズは、塩化ナトリウム系電解質、包装用溶液、又は更には涙液と類似した特別にエンジニアリングされた電解質を含んでいてもよい。そのような電池は、例えば、包装用溶液により活性化され、目に対する開口部を維持し、ヒトの涙に暴露された状態で動作を継続させる。
より涙に類似した電解質を使用することによる、又は実際に涙を使用することによる生体適合性に関する考えられる利益に加えて、あるいはその代わりに、注液電池を使用して、コンタクトレンズ製品の有効寿命要件を満たしてもよい。典型的なコンタクトレンズの保存期間は３年以上と指定されている。この期間は、パッケージが小さくて薄い電池にとっては課題となる要件である。コンタクトレンズで用いる注液電池は、図３に示すものと類似の設計を有し得るが、製造時に電解質は加えられないことになる。電解質は、コンタクトレンズ内部のアンプル内に保存されて、電池に接続されてもよく、又は電池を取り囲む生理食塩水を電解質として使用してもよい。コンタクトレンズ及び電池パッケージの内部には、ユーザーがレンズを起動させるまで電解質を電極から分離するために、弁又はポートが設計されてもよい。グロースティックを起動するのと同様に、コンタクトレンズの縁部を単につまむなどしてコンタクトレンズが起動されると、電解質が、電池に流入して、電極間にイオン経路を形成することができる。これにより、電解質が１回だけ移送されてもよく、又は電池が継続的な拡散に暴露されてもよい。
電池システムによっては、化学反応の間に電解質を使用又は消費するものもあり得る。したがって、一定量の電解質をエンジニアリングして、パッケージ化されたシステムに入れることが必要であり得る。この電解質は、セパレータ又はリザーバを含む様々な場所に「一時的に置いておく」ことができる。
いくつかの例では、電池システムの設計は、電池システムの放電容量を制限するように機能し得る部品（１又は複数）を含んでもよい。例えば、アノード、カソード、又は電解質の材料及び材料の量を、電池システムの反応過程の間にそれらのうちの１つを最初に使い切るように設計するのが望ましい場合がある。そのような例では、アノード、カソード、又は電解質のうちの１つが枯渇することにより、問題となる放電及び副反応が生じる可能性が低減され、より低い放電電圧で起きないようにすることができる。こうした問題となる反応は、例えば、安全性及び他の要因を損なう可能性のある過剰なガス又は副生成物を生成し得る。
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、本開示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含んでいてもよい。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。得られたモジュール化された電池構成要素は、上に電池構成要素を形成することができ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内で使用することができ、更なる実施例では、モジュール化された電池構成要素の使用は、普通であれば用いられるであろう製造技術（例えば、ウェブベースの技術（ロールツーロール処理）、シートベースの技術（シートツーシート処理）、プリント処理、リソグラフィ処理、及び「スキージ」処理など）とは異なる選択肢の活用を促進することができる。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収容することができる程度に十分に大きくてもよい。別の例では、平型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とすることができ、緩やかな面外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、膜は、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、及び膜層上に堆積す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に応じて異なり得る。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、電池形態を二次元平面形態に製造するという前述の能力を促進することができる。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三次元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
本開示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。
電池構成要素の設計における設計要素としてのキャビティ
いくつかの例では、電池素子は、活性電池化学物質の領域を分割するやり方で設計されてもよい。活性電池構成要素を個別のセグメントに分割することにより、多くの利点を得ることができる。非限定的な例において、製作する素子を個別で比較的小さくすることにより、こうした素子の製造を容易にすることができる。多数のより小さい素子を含む電池素子の機能を改善することができる。様々な種類の不具合をセグメント化することができ、機能しない素子を隔離することにより、場合によっては、機能の喪失を減少させることができる。これは、電池電解質の減少が生じ得る例に関連し得る。個別化された構成要素を隔離することにより、電池の重要領域からの電解質の漏れを生じさせる不具合を、電池素子全体のうちの小さなセグメントの機能低下に限定することができる一方、この不具合による電解質の減少は、単一セルとして構成された電池における著しく大きな領域を空にする可能性がある。セルを小さくすることにより、総じてみると、活性電池化学物質の量は低減することになり得るが、こうした小さいセルそれぞれを取り囲む材料の網目は、結果として全体構造を強化することができる。
電池素子の内部封止
生物医学的装置において使用するための電池素子のいくつかの例では、電池の化学作用は水溶性化学を含み、その場合、水又は水分は制御すべき重要な構成成分となる。したがって、電池本体から出入りする水分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。いくつかの例では、防湿バリアを２つのセクション又は構成要素に分割してもよい。即ち、パッケージと封止部である。
パッケージは、エンクロージャの主要材料を指すことができる。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もよく、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に応じて異なり得る。
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、粘着剤、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、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。動作期間は、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。例えば、電池が湿潤環境において保存される場合には、電池の外側と内側の分圧差は最小となるので、水分損失率は低くなり、したがって電池の寿命は長くなり得る。非常に乾燥して熱い環境において保存される同じ例示的な電池は、水分を損失させる作用が強いので、著しく短い予想寿命を有する場合がある。
電池素子用セパレータ
本発明に記載される種類の電池は、アノード及びアノード集電体部分を、カソード及びカソード集電体部分から物理的かつ電気的に分離するセパレータ材料を使用してもよい。セパレータは、水及び溶解した電解質成分に対して透過性である膜であってもよいが、セパレータは、典型的には、非導電性であってもよい。無数の市販のセパレータ材料が当業者に既知であり得るが、本開示の新規な形状因子は、セパレータの選択、加工、及び取り扱いに対して固有の制約を提示し得る。
本発明の設計は超薄型の輪郭を有し得るので、選択肢は、一般に入手可能な最も薄いセパレータ材料に限定され得る。例えば、厚さ約２５μｍのセパレータが望ましい場合がある。有利であり得るいくつかの実施例は、厚さ約１２μｍであり得る。条件を満たす多くの市販のセパレータが存在し得、例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ）製のセパレータのような、ミクロフィブリル化された微多孔性のポリエチレン単層及び／又はポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ）３層セパレータ膜が挙げられる。セパレータ材料の望ましい実施例は、厚さ１２μｍのＣｅｌｇａｒｄ Ｍ８２４ ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層膜であり得る。本発明の実施例に有用なセパレータ材料の代替実施例としては、再生セルロース（例えばセロファン）を含むセパレータ膜を挙げることができる。
ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層セパレータ膜は、そのポリオレフィンの特性により、有利な厚さ及び機械的特性を有し得るが、本発明の実施例において有用とするためには克服しなければならないいくつかの不利な点も有し得る。ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ３層セパレータ材料のロール又はシートは、本明細書に記載される電池に適用可能なマイクロメートルレベルの公差に悪影響を与える可能性のある、多数の皺又は他の形態のエラーを有する場合がある。更に、ポリオレフィンセパレータは、本発明の設計に含ませるためには超精密な許容誤差で切断される必要があり得るので、個々の集電体を厳しい許容誤差で望ましい形状に形成するための好ましい方法としてレーザー切断を行う必要があり得る。こうしたセパレータのポリオレフィンの特性により、マイクロ素子の製造に有用なある種の切断用レーザーはレーザー波長（例えば３５５ｎｍ）を使用する場合があるが、この波長ではポリオレフィンは切断されない。ポリオレフィンは、レーザーエネルギーを認め得るほどに吸収しないので、切断不可能である。最後に、ポリオレフィンセパレータは、本明細書に記載される電池で使用される水性電解質に対して本質的に湿潤性でない場合がある。
しかし、ポリオレフィン系の膜に固有のこうした制限を克服するための方法が存在し得る。微多孔性セパレータ膜に高精度の切断用レーザー処理を施して、膜片をアークセグメント又は他の有利なセパレータ設計に切断するために、膜は平坦で皺のない状態である必要があり得る。こうした２つの条件を満たさない場合、入射レーザーエネルギーの焦点を合わせることができないか、あるいは別様に入射レーザーエネルギーが散乱してしまうため、切断ビームが妨げられ、それによりセパレータ膜を完全に切断することはできない。加えて、セパレータ膜が平坦で皺のない状態でない場合、セパレータ膜の形状精度及び幾何公差を十分に得ることができない。現在の実施例のセパレータの許容誤差は、好ましくは、特性長さ及び／又は半径に対して＋０μｍ及び−２０μｍであってよい。＋０μｍ及び−１０μｍといったより厳しい公差、更には＋０μｍ及び−５μｍの公差に関する利点が存在し得る。セパレータストック材料は、適切な低揮発性液体を有するフロートガラス製のキャリアにこの材料を一時的に積層することにより、平坦で皺のない状態にすることができる。セパレータ膜の脆弱性、及びセパレータ膜を接着剤層から剥離するために必要とされ得る加工時間に起因して、低揮発性液体は仮接着剤よりも好ましい場合がある。更に、いくつかの実施例では、液体を使用してフロートガラス上に平坦で皺のないセパレータ膜を得ることは、接着剤を使用するよりもはるかに容易であることが認められている。セパレータ膜は、積層する前に、粒子を含まないものとしてもよい。これは、表面に接着したあらゆる粒子を除去するために、セパレータ膜を超音波洗浄することにより達成することができる。いくつかの実施例では、セパレータ膜の取り扱いは、ラミナーフローフード又は少なくともクラス１０，０００のクリーンルームのような好適な低粒子環境内で行われてもよい。更に、フロートガラス基板は、適切な溶媒、超音波洗浄、及び／又はきれいなルームワイプで拭き取ることによって、粒子を含まないものとしてもよい。
微多孔性ポリオレフィンセパレータ膜をフロートガラスキャリアに積層する機械的な目的で、多種多様な低揮発性液体を使用することができるが、別個のセパレータ形状の後続レーザー切断を容易にするために、液体には具体的な要件が課せられる場合がある。要件のうちの１つは、液体が、セパレータ材料の孔に染み込むほど十分に低い表面張力を有し、それを目視検査で確認することができることであり得る。いくつかの実施例では、セパレータ材料は、液体が材料のミクロ細孔を充填すると、白色から半透明の外観に変化する。セパレータの調製及び切断作業にさらされることになる作業者にとって無害で「安全」であり得る液体を選択することが望ましくあり得る。加工の時間スケール（１日程度）の間に相当量の蒸発が生じないように、蒸気圧が十分に低くあり得る液体を選択することが望ましくあり得る。最後に、いくつかの実施例では、液体は、レーザー切断作業を促進することができる好都合な紫外線吸収剤を溶解するだけの十分な溶媒和力を有していてもよい。一実施例では、アボベンゾン紫外線吸収剤の１２％（ｗ／ｗ）ベンジルベンゾエート溶液は上記要件を満たすことができ、かつ、高精度及び高い耐性で迅速に、切断用レーザービームの通過回数が過剰になることなく、ポリオレフィンセパレータのレーザー切断を促進するのに役立ち得る。いくつかの実施例では、セパレータは、８Ｗ ３５５ｎｍナノ秒ダイオード励起固体レーザーで、このアプローチを用いて切断されてもよく、その場合レーザーの設定は、低電力損失（例えば３パーセント電力）、１〜１０ｍｍ／秒の適度な速度、及びレーザービームの通過は１〜３回だけとすることができる。この紫外線吸収性油状組成物は、効果的な積層及び切断加工助剤であることが証明されているが、当業者であれば他の油性製剤を想定することができ、これを制限なく使用することができる。
いくつかの実施例では、セパレータは、フロートガラスに固定された状態で切断されてもよい。フロートガラスに固定した状態でセパレータをレーザー切断することの利点の１つは、半導体ダイがシリコンウェハ上に密に配列され得るのと同様に、非常に高い数密度のセパレータを１枚のセパレータストックシートから切断することができることである。かかるアプローチは、半導体プロセスに固有の大量生産による生産コストの削減及び並列処理の利点をもたらすことができる。更に、セパレータ膜のスクラップが生じる可能性が最小となる。セパレータが切断されたら、混和性溶媒を用いる一連の抽出工程により、油性液体である加工助剤を除去してよく、最後の抽出は、いくつかの実施例では、イソプロピルアルコールなどの高揮発性溶媒を用いて行われてもよい。個々のセパレータは、抽出が終わると、任意の好適な低粒子環境内で無期限に保管されてもよい。
前述したように、ポリオレフィンセパレータ膜は、本質的に疎水性であり得、本発明の電池内で使用する水溶性界面活性剤に対して湿潤性を有する状態にする必要があり得る。セパレータ膜を湿潤性にするアプローチの１つは、酸素プラズマ処理であり得る。例えば、セパレータを、酸素１００％のプラズマ中で、様々な電力設定及び酸素流量にて、１〜５分間処理してもよい。このアプローチは、湿潤性を一時的に改善することができるが、プラズマ表面改質は一過性の効果をもたらすことが既知であり得、この効果は、電解質溶液で確実に湿潤するのに十分なだけ長く続かない場合がある。セパレータ膜の湿潤性を改善するための別のアプローチは、膜に好適な界面活性剤を組み込むことによって表面を処理することであってよい。場合によっては、界面活性剤は親水性ポリマーコーティングと共に使用してもよく、コーティングはセパレータ膜の孔内部に留まる。
酸化プラズマ処理によって付与された親水性をより永続的にするための別のアプローチは、好適な親水性オルガノシランで引き続き処理することであってよい。このように、酸素プラズマを用いて、微多孔性セパレータの全表面面積全体に官能基を付与しかつ活性化することができる。次に、プラズマ処理された表面にオルガノシランを共有結合させてもよい及び／又は非共有的に付着させてもよい。オルガノシランを用いる例では、微多孔性セパレータの固有多孔性を認め得るほどに変化させることはできず、単層で表面を被覆することも可能であり、かつ望ましくあり得る。ポリマーコーティングと共に界面活性剤を組み込む従来技術の方法は、膜に塗布されるコーティングの実際の量を厳密に制御する必要があり得、したがってプロセス変動を受ける可能性がある。極端な実施例では、セパレータの孔がブロックされ、それにより電気化学セルの動作中にセパレータの有用性に悪影響が及ぶ可能性がある。本開示で有用な例示的なオルガノシランは、（３−アミノプロピル）トリエトキシシランであり得る。他の親水性オルガノシランは当業者に既知であり、制限なく使用することができる。
セパレータ膜を水性電解質によって湿潤性にするための更に別の方法は、好適な界面活性剤を電解質製剤に組み込むことであり得る。セパレータ膜を湿潤性にするための界面活性剤を選択する際の考慮事項の１つは、界面活性剤が、例えば、セルの電気インピーダンスを上昇させることにより、電気化学セル内の１つ又は複数の電極の活性に与える可能性がある影響であり得る。場合によっては、界面活性剤は、特に水性電解質中のアノードが亜鉛の場合に、有利な防食性を有し得る。亜鉛は、水とゆっくり反応して水素ガスを放散させることで知られる例であり得、これは望ましくない場合がある。当該反応の速度を有利なレベルまで制限する多くの界面活性剤が、当業者には既知であり得る。他の事例では、界面活性剤は亜鉛電極表面と強く相互作用するので、電池性能を阻害する場合がある。したがって、セルの電気化学的性能に悪影響を及ぼすことなくセパレータの湿潤性を確実に得ることができるように、界面活性剤の適切な種類及び充填レベルを選択する際には、多くの注意を払う必要があり得る。場合によっては、セパレータ膜に湿潤性を付与するために存在するものもあれば、亜鉛アノードに対する防食性を促進するために存在するものもあるといったように、複数の界面活性剤を使用してもよい。一実施例として、セパレータ膜に親水化処理が施され、セパレータ膜を湿潤性にするのに十分な量の界面活性剤又は複数の界面活性剤が電解質配合物に添加される。
個々のセパレータは、アセンブリ内に設計されているキャビティ、ポケット、又は構造体の中に直接配置することによって、超小型層状電池に組み込むことができる。望ましくは、このポケットは、セパレータ形状の幾何学的オフセットであり得る切り欠き部を有するスペーサによって形成することができる。更に、ポケットは、組立中にセパレータがその上に載る出っ張り又は階段状部を有していてもよい。上記出っ張り又は階段状部は、必要に応じて、個々のセパレータを保持する感圧接着剤を有していてもよい。有利には、感圧接着剤は、例示的な超小型層状電池の他の素子を構成及び積み重ねる際に使用するものと同じであってもよい。
感圧接着剤
いくつかの実施例では、本発明の超小型層状電池を構成する複数の構成要素は、感圧接着剤（ＰＳＡ）によって一体に保持されてもよく、この感圧接着剤はシーラントとしての役割も果たす。無数の市販の感圧接着剤配合物が存在し得るが、そうした配合物はほとんどの場合、そのせいで感圧接着剤が生体適合性超小型層状電池内で使用するのに適さないものとなり得る成分を含んでいる。感圧接着剤で使用するのに望ましくない成分の例としては、低分子量の浸出性成分、酸化防止剤（例えばＢＨＴ及び／又はＭＥＨＱ）、可塑化用オイル、不純物、例えば、不飽和化学結合、残留溶媒及び／又はモノマー、重合開始フラグメント、極性粘着付与剤等を含む酸化に不安定な部分が挙げられる。
一方、好適なＰＳＡは以下の特性を示すことができる。層状構成要素に塗布して、約２〜２０マイクロメートルの薄層を得ることが可能であり得る。その上、望ましくない又は非生体適合性の成分の含有量が最低限であるか、好ましくは全く含有していない場合がある。加えて、好適なＰＳＡは十分な接着性及び凝集性を有するので、層状電池の構成要素を結合することができる。また、好適なＰＳＡは、電池内の電解質を確実に封止しながら、本構成の装置に固有のマイクロメートルスケールの特徴部に流入することが可能であり得る。好適なＰＳＡのいくつかの実施例では、電池が極度の湿度に長時間さらされる場合であっても所望の水性電解質成分を電池内部に維持するために、ＰＳＡは水分に対する透過性が低くてもよい。ＰＳＡは、酸類、界面活性剤、及び塩類などの電解質成分に対して、良好な耐化学性を有していてよい。好適なＰＳＡは、浸水の影響に対して不活性であり得る。好適なＰＳＡは、自己放電の形態をとり得る亜鉛アノードの直接酸化速度を最小限に抑えるために、酸素に対する透過性が低くてもよい。また、水性電解質中の亜鉛アノードからゆっくりと放出され得る水素ガスに対する有限透過性を促進することができる。水素ガスに対する有限透過性という特性により、内部圧力が蓄積されるのを防ぐことができる。
こうした要件を考慮すると、望ましい要件の全てではないが、その多くを満たすＰＳＡ組成物に配合することができる市販材料は、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）であり得る。更に、ＰＩＢは、吸水性が非常に低く、かつ酸素透過性が低い、優れたバリアシーラントであり得る。本発明の実施例で有用なＰＩＢの例は、ＢＡＳＦ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＯｐｐａｎｏｌ（登録商標）Ｂ１５であり得る。Ｏｐｐａｎｏｌ（登録商標）Ｂ１５は、トルエン、ドデカン、ミネラルスピリット等のような炭化水素溶媒に溶解することができる。１つの例示的なＰＳＡ組成物は、７０％（ｗ／ｗ）のトルエンと３０％のドデカンとを含む溶媒混合物中に溶解した３０％のＯｐｐａｎｏｌ（登録商標）Ｂ１５（ｗ／ｗ）を含むことができる。ＰＩＢベースのＰＳＡ感圧接着剤の接着性及びレオロジー特性は、いくつかの実施例では、異なる分子量グレードのＰＩＢをブレンドすることにより決定され得る。一般的なアプローチは、湿潤性、粘着性、及び接着性に影響を与えるために、低モル質量のＰＩＢ、例えばＯｐｐａｎｏｌ（登録商標）Ｂ１０を多く使用し、強靭性及び流れ抵抗に影響を与えるために、高モル質量のＰＩＢを少量使用するといったものであってよい。したがって、モル質量グレードの異なる任意の数のＰＩＢのブレンドを想定することができ、それらブレンドは本発明の範囲内で実施可能であり得る。更に、上記要件を満たすことができるのであれば、ＰＳＡ配合物に粘着付与剤を添加してもよい。粘着付与剤は、その性質上、ＰＳＡ配合物に極性を付与するので、ＰＳＡのバリア特性に悪影響を与えないように注意して使用する必要があり得る。更に、粘着付与剤は、場合によっては酸化的に不安定であり得、また、酸化防止剤を含む場合があり、酸化防止剤がＰＳＡから浸出する可能性がある。こうした理由から、生体適合性超小型層状電池用のＰＳＡにおいて使用するための例示的な粘着付与剤としては、全面的に又は大部分が水素化された炭化水素樹脂粘着付与剤（例えばＥａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＲｅｇａｌｒｅｚシリーズなど）を挙げることができる。
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いかもしれず、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抑制することができる。
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得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。
本開示では、パッケージング構造は、以次の種類の機能部品、即ち、上部及び底部パッケージング層、ＰＳＡ層、スペーサ層、相互接続ゾーン、充填ポート、及び第２パッケージングを含んでもよい。
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 Ｓｃｏｔｃｈｐａｋ １１０９裏材であり得、その裏材は、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３３μｍ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。本開示において、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、本開示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相容れない関係があり得る。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、本開示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つ又は複数は、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 Ｓｃｏｔｃｈｐａｋ １１０９裏材は、カソードの集電体として有用な１つ又は複数の金属層の物理気相蒸着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、好ましくは、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。好ましい実施形態では、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つ又は複数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。
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、亜鉛を選択的に含んでもよい。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。本開示の電池では、亜鉛缶は一実施例であり得るが、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してもよい。
電気めっき亜鉛の使用例はいくつかの業界で見出すことができ、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が挙げられる。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、設計意図に応じて無限と思われるような形状にパターニングすることができる。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。様々な手法でめっきマスクを作製することができる。手法の一つは、フォトマスクの使用であり得る。こうした実施例では、フォトレジストが導電性基板に塗布されてもよく、後に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、以下の記述で説明される、電気化学セルの組み立ての特定の加工段階（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１００マイクロメートルの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１０〜２０マイクロメートルで塗布してもよい。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正確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つ又は複数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、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Ｈ２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、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マイクロメートルであり得るが、いくつかの実施例では、低電流密度を用いて亜鉛めっきを行う場合があり、その結果生じる小塊の成長は、アノードの最大垂直許容度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、１００ＡＳＦめっき条件は小塊亜鉛を生じさせ得るが、亜鉛小塊の寸法は、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、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別の利益は、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、水素ガスの減少であり得る。インジウムは、アノード集電体のうちの１つ又は複数に、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。
カソード混合物
本開示の概念と一致し得る多数のカソード化学物質の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物質を表す用語であり得るカソード混合物は、ペースト又はスラリーとして適用されてよく、かつ、二酸化マンガン、カーボンブラック又は黒鉛のようなある種の形態の導電性カーボン、及び他の任意の成分を含み得る。いくつかの実施例では、これらの任意の成分は、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つ又は複数を含み得る。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に先立って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。
カソード混合物で使用可能な二酸化マンガンは、好ましくは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エネルギー容量が、天然二酸化マンガン又は化学二酸化マンガン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／スラリーの配合物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思われる、著しく大きな粒子成分を除去してもよい。いくつかの実施例では、ＥＭＤは、７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、２５μｍ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。ＥＭＤの粒径を小さくするのに有用な処理方法の一つは、サブミクロン粒子を得ることができるジェット粉砕であり得る。大径粒子を小さくするのに有用な他の処理方法としては、使用前のカソード混合物ペーストのボールミル粉砕又は３本ロール粉砕を挙げることができる。
カソード混合物ペーストの重要な態様は、ポリマー結合剤であり得る。結合剤は、カソード混合物ペースト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、カソード混合物ペースト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される特定量は、本開示の電気化学セルにおけるカソードの有益機能にとって重要であり得る。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、結合剤の主要機能である電気的導通は、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。最終的に、結合剤ポリマーの選択及び使用量は、慎重にバランスをとる必要があり得、このバランスは、いくつかの実施例では「実験計画法」アプローチを用いて、注意深い実験によって決定する必要があり得る。本開示にとって有用な結合剤ポリマーの例は、中でも、ポリビニルピロリドン、ポリイソブチレン、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状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を含む。
カソードは、他の候補材料の中でも、二酸化銀又はオキシ水酸化ニッケルを更に含み得る。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。
電池アーキテクチャ及び製造
電池アーキテクチャと製造技術は密接に関連し合っている場合がある。本明細書の前の項で論じたように、電池は、次の素子、即ち、カソード、アノード、セパレータ、電解質、カソード集電体、アノード集電体、及びパッケージングを有する。巧みな設計により、こうした素子を、製造が容易なサブアセンブリに組み付ける試みがなされてもよい。他の実施例では、最適化された設計は、例えば金属パッケージが集電体の役割も果たすといったように、二重用途の構成要素を有していてもよい。相対容積及び厚さの観点から、こうした素子は、カソードを除き、ほぼ全て同じ容積であってよい。いくつかの実施例では、機械的密度、エネルギー密度、放電効率、材料純度、並びに、結合剤、充填剤、及び導電剤の有無が有意に異なることから、電気化学システムは、カソードの容積の約２〜１０倍のアノードを必要とし得る。こうした実施例では、様々な構成要素の相対的な大きさは、次の素子厚さに近似され得る：アノード集電体＝１μｍ；カソード集電体＝１μｍ；電解質＝間質液（概ね０μｍ）；セパレータ＝計画最大厚さが約１５μｍであり得る所望の薄さ又は厚さ；アノード＝５μｍ；及びカソード＝５０μｍ。素子のこうした実施例では、使用環境において電池化学物質を維持するために十分な保護を提供するのに必要なパッケージングは、約５０μｍの予定最大厚を有し得る。
円筒形状又は矩形形状といった大型の角柱構造体とは本質的に異なっていてよく、また、ウェハベースのソリッドステート構造体と異なっていてよいいくつかの実施例では、かかる実施例は、様々な構成に作製されたウェブ又はシートを使用し、電池素子がその内部に配置されている、「パウチ」状の構造体とすることができる。この収容体は、２つの膜又は他面の上に曲げられた１つの膜を有してもよく、これら構造のいずれもほぼ平面状の表面を２つ形成することができ、次にこれら平面の外周を封止して容器を形成することができる。この薄いが幅広の形状因子により、電池素子自体が薄くかつ幅広となり得る。更に、こうした実施例は、コーティング、グラビア印刷、スクリーン印刷、スパッタリング、又は他の同様の製造技術を用いる用途に好適であり得る。
薄いが幅広の形状因子を有するこうした「パウチ状」電池の実施例では、アノード、セパレータ、及びカソードなどの内部構成要素の配置は数多く存在し得る。２枚の膜によって形成された密閉領域内において、こうした基本素子は、同一平面上に並んでいる「共平面」であるか、又は対向面上で向かい合っていてよい「コフェイシャル」のいずれかであり得る。共平面配置では、アノード、セパレータ、及びカソードは、同一表面上に堆積され得る。コフェイシャル配置では、アノードは表面−１に堆積されてよく、カソードは表面−２に堆積されてよく、セパレータは、これら２つの素子の間に、両面のうちの一方に堆積されるか又はそれ自体個別の素子として挿入されるかのいずれかで配置されてよい。
別の種類の実施例は積層アセンブリとして分類することができ、アセンブリは、ウェブ又はシートの形態の膜を使用して、電池層を一層ずつ構築することを含み得る。シートは、感圧接着剤、熱活性接着剤、又は化学反応型接着剤などの接着剤を使用して互いに接合されてよい。いくつかの実施例では、シートは、熱溶着、超音波溶接等などの溶接技術によって接合されてよい。シートは、ロール・ツー・ロール（Ｒ２Ｒ）、又はシート・ツー・シートアセンブリのような標準的な工業的手法に適していてもよい。先に指摘したように、カソード用の内部容積は、電池内の他の活性素子よりも実質的に大きい必要があり得る。電池構造体の多くは、このカソード材料のスペースを作り出し、電池が屈曲する際にカソードが移動しないように支持する必要があり得る。厚さのかなりの部分を消費する場合がある電池構造物の別の部分は、セパレータ材料であり得る。いくつかの実施例では、シート形状のセパレータは、積層加工の有利な解決法を生み出すことができる。他の実施例では、セパレータは、セパレータとして機能する層にヒドロゲル材料を分配することによって形成されてもよい。
こうした積層電池アセンブリの実施例では、成形品は、アノードシート（これはパッケージ層とアノード集電体の組み合わせであってよい）並びにアノード層の基板を有し得る。成形品はまた、任意のセパレータスペーサシート、カソードスペーサシート、及びカソードシートを有し得る。カソードシートは、パッケージ層とカソード集電体層の組み合わせであってよい。
電極と集電体との間が密接に接触していることが、インピーダンスを低減し、かつ放電容量を増大させるために非常に重要である。電極の一部が集電体と接触していない場合、電気の伝導が電極を通って生じることから（電極の導電性は通常、集電体よりも低い）、又は電極の一部が完全に切断された状態になることから、抵抗が増大し得る。コインセル及び円筒電池において、密着性は、缶をクリンプする機械的力、缶にペーストを詰める機械的力、又は同様の手段によって実現される。ウェーブワッシャ又は類似のバネは、電池内で力を維持するために市販のセルで使用される。しかし、これらにより小型電池の全体の厚さが増す可能性がある。典型的なパッチ電池（patch batteriy）では、セパレータは、電解質に浸漬され、電極を挟んで配置され、外部パッケージングによって押圧され得る。コフェイシャル層状電池では、電極密着性を増強させるための方法がいくつか存在する。アノードは、ペーストを使用するのではなく、集電体上に直接めっきされてもよい。この方法は本質的に、高レベルの密着性及び導電性をもたらす。しかしながら、カソードは、典型的にはペーストである。カソードペースト中に存在する結合剤材料は、接着力と凝集性を提供することができるが、カソードペーストを確実にカソード集電体と接触した状態に保つためには、機械的圧力が必要となり得る。パッケージは曲げられることから、及び、例えば、薄くて小さい封止部を通って水分がパッケージから放出するにつれて、電池は経年劣化して放電することから、これは特に重要であり得る。コフェイシャル層状電池では、カソードの圧縮は、アノードとカソードとの間に柔軟なセパレータ及び／又は電解質を導入することによって達成することができる。例えば、ゲル電解質又はヒドロゲルセパレータは、アセンブリを圧縮することができ、液体電解質のように電池から簡単に流れ出ることはない。電池を封止し終わったら、電解質及び／又はセパレータはカソードを押し返すことができる。層状積層体の組み立て後にエンボス加工工程を行って、積層体を圧縮してもよい。
生体適合性通電素子の図示の例示的な加工−セパレータの配置
生体適合性通電素子の加工に関与し得る工程の実施例は、図４Ａ〜図４Ｎを参照して見ることができる。例示的な工程のいくつかにおける加工は、個々の図に見ることができる。図４Ａにおいて、ＰＥＴカソードスペーサ４０１とＰＥＴギャップスペーサ４０４の組み合わせを示すことができる。ＰＥＴカソードスペーサ４０１は、ＰＥＴ膜４０３を適用することによって形成することができ、この膜の厚さは、例えばおよそ０．０８ｍｍ（３ミル）であってよい。ＰＥＴ層の両側にはＰＳＡ層を見出すことができ、又はこれらの層は、ポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）剥離層４０２で覆われていてよく、層の厚さは、およそ０．０３ｍｍ（１ミル）であってよい。ＰＥＴギャップスペーサ４０４は、ＰＶＤＦ層４０９から形成されてよく、層の厚さはおよそ０．０８ｍｍ（３ミル）であってよい。キャッピングＰＥＴ層４０５が存在してもよく、層の厚さはおよそ０．１ｍｍ（０．５ミル）であってよい。ＰＶＤＦ層４０９とキャッピングＰＥＴ層４０５との間は、いくつかの実施例では、ＰＳＡ層であってよい。
図４Ｂに進むと、レーザー切断処理によってギャップスペーサ層４０４に孔４０６を切断する場合がある。次に、図４Ｃでは、切断したＰＥＴギャップスペーサ層４０４をＰＥＴカソードスペーサ層４０１に積層４０８することができる。図４Ｄに進むと、カソードスペーサ孔４１０が、レーザー切断処理によって切断され得る。この切断工程のアラインメントは、ＰＥＴギャップスペーサ層４０４内の予め切断した特徴部に対して位置合わせされ得る。図４Ｅでは、最終的にセパレータ層になるＣｅｌｇａｒｄ ４１２の層が、キャリア４１１に接合され得る。図４Ｆに進むと、Ｃｅｌｇａｒｄ材料が、先の２つのレーザー切断された孔の寸法の間であり、かつＰＥＴギャップスペーサ孔４０６の寸法に近い形状に切断されて、予備切断されたセパレータ４２０が形成され得る。図４Ｇに進むと、ピックアンドプレイスツール４２１を使用して、Ｃｅｌｇａｒｄの個々の片を成長装置上の所望の位置にピックアンドプレイスすることができる。図４Ｈにおいて、配置されたＣｅｌｇａｒｄ片４２２を適所に固定した後、ＰＶＤＦ剥離層４２３を除去することができる。図４Ｉに進むと、成長する装置構造体を、アノード４２５の膜に接合することができる。アノードは、上に亜鉛アノード膜が電着されているアノードコレクタ膜からなってもよい。
図４Ｊに進むと、カソードスラリー４３０が、形成された間隙に入れられてもよい。いくつかの実施例では、スキージ４３１を使用して、カソード混合物を被加工物全体に広げ、このプロセスでは、形成される電池装置の間隙を充填してよい。充填後、残っているＰＶＤＦ剥離層４３２を除去することができ、そうすることにより図４Ｋに示す構造体を得ることができる。図４Ｌでは、構造体全体に乾燥プロセスを施すことができ、これによりカソードスラリー４４０は、ＰＥＴ層の上部の高さまで収縮することができる。図４Ｍに進むと、その上にカソードコレクタ膜を既に有していてよいカソード膜層４５０が、成長構造体に接合され得る。最後の図である図４Ｎにおいて、レーザー切断プロセスが行われて、側部領域４６０を除去し、電池素子４７０を得ることができる。本開示の趣旨の範囲内で有用であり得る、材料及び目標厚さに対する多くの修正、削除、変更が存在し得る。
例示的な加工の結果を図５においてある程度詳細に示すことができる。一実施例では、以下の参照特徴部を定義することができる。カソード化学物質５１０は、カソード及びカソードコレクタ５２０と接触した状態で位置付けられてよい。感圧性接着剤層５３０は、カソードコレクタ５２０をＰＥＴスペーサ層５４０に対して保持しかつ封止することができる。ＰＥＴスペーサ層５４０の反対側は別のＰＳＡ層５５０であってよく、このＰＳＡ層５５０は、ＰＥＴスペーサ層５４０をＰＥＴ間隙層５６０に対して封止しかつ接着する。別のＰＳＡ層５６５は、ＰＥＴギャップ層５６０をアノード及びアノード集電体層に対して封止及び接着する場合がある。亜鉛めっき層５７０がアノード集電体５８０にめっきされ得る。セパレータ層５９０は構造体内部に位置付けられて、本開示で定義した関連機能を行うことができる。いくつかの実施例では、デバイスの加工中に電解質を加えてもよく、他の実施例では、セパレータが既に電解質を含んでいてもよい。
生体適合性通電素子の例示的加工図−セパレータの堆積
生体適合性通電素子の加工に含ませることができる工程の実施例を、図６Ａ〜図６Ｆに見ることができる。例示的な工程のいくつかにおける加工は、個々の図に見ることができる。本開示の趣旨の範囲内で有用であり得る、材料及び目標厚さに対する多くの修正、削除、変更が存在し得る。
図６Ａ〜６Ｆは、通電素子の生体適合性層状構造体を示し得る。図６Ａでは、層状構造物６００を図示することができる。層状構造は、１つの層がどちらかの端部に配置される、２つの層状構造剥離層６０２と６０２ａと、層状構造剥離層６０２と６０２ａとの間に位置付けられた２つの層状構造接着剤層６０４及び６０４ａと、２つの層状構造接着剤層６０４と６０４ａとの間に位置付けられた層状構造コア６０６とを含み得る。層状構造剥離層６０２及び６０２ａ、並びに接着剤層６０４及び６０４ａは、製造してもよく、又は購入してもよい（一次ライナー層を有する市販の感圧接着剤転写テープなど）。層状構造接着剤層６０４及び６０４ａは、厚さ約１〜３ｍｍであり得るＰＶＤＦ層であってよく、層状構造コア６０６をキャップすることができる。層状構造コア６０６は、例えば、厚さおよそ３ミリメートルであってよい、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの熱可塑性ポリマー樹脂を含み得る。図６Ｂに進むと、カソードポケット６０８用の孔を、レーザー切断処理によって、層状構造物に切り込むことができる。これによりカソードスペーサ層を形成することができる。
次に、図６Ｃにおいて、底部層状構造剥離層６０２ａを層状構造物から除去し、層状構造接着剤層６０４ａを露出させることができる。次に、層状構造接着剤層６０４ａを使用してアノード接続箔６１０を接着し、カソードポケット６０８の底部開口部を覆うことができる。図６Ｄに進むと、アノード接続箔６１０は、マスキング層６１２を接着させることにより、露出した底部層上に保護され得る。マスキング層６１２は、一次ライナーを有する市販のＰＳＡ転写テープであってよい。次に、図６Ｅにおいて、アノード接続箔６１０は、コヒーレント金属６１４（例えば亜鉛）で電気めっきされてよく、このコヒーレント金属６１４は、カソードポケット内部のアノード接続箔６１０の露出部分をコーティングする。図６Ｆに進むと、電気めっきの後、アノード集電マスキング層６１２がアノード接続箔６１０の底部から除去される。後の項で説明するいくつかの実施例では、黒鉛堆積物、金属が挿入された黒鉛、又は半導体層のような、金属以外の材料をキャビティ内にコーティングしてもよい。
図７Ａ〜図７Ｆは、図６Ａ〜図６Ｆに図示した方法工程の代替加工モードを示し得る。図７Ａ〜図７Ｂは、図６Ａ〜図６Ｂに図示したのと同様のプロセスを示し得る。層状構造は、１つの層がどちらかの端部に配置される２つの層状構造離層７０２と７０２ａと、層状構造剥離層７０２と７０２ａとの間に位置付けられた２つの層状構造接着剤層７０４及び７０４ａと、２つの層状構造接着剤層７０４と７０４ａとの間に位置付けられた層状構造コア７０６を含み得る。層状構造剥離層及び接着剤層は、製造してもよく、又は購入してもよい（一次ライナー層を有する市販の感圧接着剤転写テープなど）。層状構造接着剤層は、厚さ約１〜３ミリメートルであり得るポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）層であってよく、層状構造コア７０６をキャップすることができる。層状構造コア７０６は、例えば、厚さおよそ３ミリメートルであってもよい、ポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性ポリマー樹脂を含み得る。図７Ｂに進むと、カソードポケット７０８用のキャビティを、レーザー切断処理によって、層状構造物に切り込むことができる。図７Ｃにおいて、アノード接続箔７１０を得ることができ、保護マスキング層７１２が片面に適用される。次に、図７Ｄにおいて、アノード接続箔７１０をコヒーレント金属（例えば、亜鉛）の層７１４で電気めっきすることができる。図７Ｅに進むと、図７Ｂを図７Ｄの電気めっきされた層７１４に接着することによって、図７Ｂ及び図７Ｄの層状構造物を組み合わせて、図７Ｅに示す新たな層状構造物を形成することができる。図７Ｂの剥離層７０２ａは、図７Ｂの接着剤層７０４ａを露出させて図７Ｄの電気めっきされた層７１４上に接着するために、除去され得る。図７Ｆに進むと、アノード保護マスキング層７１２は、アノード接続箔７１０の底部から除去され得る。
図８Ａ〜図８Ｈは、生体適合性層状構造体への通電素子の実装を示すことができ、この生体適合性層状構造体は本明細書において、層状アセンブリ又は積層アセンブリと呼ぶこともあり、例えば、図６Ａ〜図６Ｆ及び図７Ａ〜図７Ｆに示されているものと類似している。図８Ａに進むと、ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物８２０は、積層アセンブリの表面上に堆積され得る。いくつかの実施例では、図のように、ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物８２０は剥離層８０２の上に塗布されてもよい。次に、図８Ｂにおいて、ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物８２０は、剥離層８０２から拭い取りながら、カソードポケットの中へとスキージ（８５０）され得る。用語「スキージされる」は、一般に、平坦化又は掻き取り工具を使用して表面全体をこすり、液体物質を表面上で移動させてキャビティ（存在する場合）の中に移動させることを指し得る。スキージングプロセスは、一般に言うところの「スキージ」タイプの装置と同様の器具によって、あるいは、移動させる物質と化学的に整合し得る多くの物質で製造されていてよい、ナイフの刃、かみそりの刃等のような平坦化装置によって実施され得る。
図８Ｂに示す加工は、カソードポケットを確実にコーティングし、得られる特徴部の厚さを増加させるために、数回行われてよい。次に図８Ｃにおいて、典型的には溶媒又は様々な種類の希釈剤であり得る物質をヒドロゲルセパレータ前駆体混合物から蒸発させるために、ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物を乾燥させることができ、次に、分配されて塗布された材料を硬化させることができる。いくつかの実施例では、図８Ｂ及び図８Ｃに示されるプロセスの両方を組み合わせて繰り返すことが可能であり得る。いくつかの実施例では、ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物は、熱に暴露することによって硬化させることができるが、他の実施例では、硬化は、光子エネルギーに暴露することによって行われてもよい。更なる実施例では、硬化は、光子エネルギー及び熱の両方に暴露することを含み得る。ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物を硬化する方法は数多く存在し得る。
硬化の結果、ヒドロゲルセパレータ前駆体材料はカソードポケットの壁、並びに、アノード又はカソード特徴部（本実施例ではアノード特徴部であり得る）に近接した表面領域へと形成され得る。キャビティの側壁への材料の付着は、セパレータの分離機能にとって有用であり得る。硬化の結果、脱水重合された前駆体混合濃縮物８２２が形成され得、これは単純に、セルのセパレータと考えることができる。図８Ｄに進むと、層状構造剥離層８０２の表面上にカソードスラリー８３０を堆積させることができる。次に、図８Ｅにおいて、カソードスラリー８３０が、カソードポケットの中及び脱水重合前駆体混合濃縮物８２２の上へとスキージされ得る。カソードスラリーは、キャビティ内の所望の位置へと移動させてもよく、一方で同時に、層状構造剥離層８０２からその大部分が拭い取られる。図８Ｅのプロセスは、カソードスラリー８３０を脱水重合前駆体混合濃縮物８２２の上へと確実にコーティングするために、数回実施されてもよい。次に、図８Ｆでは、カソードスラリーを乾燥させて、脱水重合前駆体混合濃縮物８２２の上に隔離されたカソード充填物８３２を形成して、カソードポケットの残部を充填することができる。
図８Ｇに進むと、電解質配合物８４０を隔離されたカソード充填物８３２の上に加え、隔離カソード充填物８３２及び脱水重合前駆体混合濃縮物８２２に水和させることができる。次に、図８Ｈでは、残存している層状構造剥離層８０２を除去し、接続箔８１６を適所に押圧することによって、カソード接続箔８１６を、残存している層状構造接着剤層８０４に付着させることができる。こうして得られた配置により、水和したカソード充填物８４２を覆うことができると共に、カソード集電体及び接続手段としてのカソード充填物８４２との電気的接点を確立することができる。
図９Ａ〜図９Ｃは、図７Ｄに示される得られた積層アセンブリの代替実施例を示すことができる。図９Ａにおいて、アノード接続箔７１０を得ることができ、保護マスキング層７１２が片面に適用される。アノード接続箔７１０は、先の図で説明したのと同じやり方で、コヒーレント金属（例えば、亜鉛）の層７１４でめっきされ得る。図９Ｂに進むと、ヒドロゲルセパレータ９１０を、図８Ｅに示すスキージ法を用いずに適用することができる。ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物は、様々な方法で塗布することができ、例えば、混合物の予備成形膜を、物理的付着によって接着させてもよく、あるいは、ヒドロゲルセパレータ前駆体混合物の希釈混合物を分配させた後、スピンコーティングによる加工によって所望の厚さに調整してもよい。あるいは、材料は、スプレーコーティングによって、又は任意の他の同等の加工法によって塗布されてもよい。
次に、図９Ｃでは、セパレータ領域を囲む収容体として機能し得る、ヒドロゲルセパレータのセグメントを形成する加工を図示している。この加工により、電解質などの材料が、形成された電池素子の内部構造の外へと流れ出るか又は拡散するのを制限する領域が形成され得る。したがって、様々な種類のブロッキング特徴９２０を形成することができる。ブロッキング特徴は、いくつかの実施例では、セパレータ層の高架橋領域に対応してよく、いくつかの実施例では、ブロッキング特徴９２０の所望の領域を光子エネルギーに長く暴露することによって形成され得る。別の実施例では、ヒドロゲルセパレータ材料を硬化する前に、ある材料をヒドロゲルセパレータ材料に添加して、硬化するとブロッキング特徴９２０となる、領域的に差別化された部分を形成してもよい。更なる実施例では、ヒドロゲルセパレータ材料のある領域を、例えば、領域範囲を画定するマスキングを用いた層の化学エッチングを含む種々の技術によって、硬化の前又は後のいずれかに除去してもよい。材料が除去された領域は、それ自体でブロッキング特徴を形成することができ、あるいは、実質的にボイドの中に戻されて、ブロッキング特徴を形成してもよい。不透過性部分の加工は、イメージアウト（image out）加工、架橋の増加、大量の光線量（heavy photodosing）、埋め戻し、又はボイドを形成するためのヒドロゲル剥離強さの欠落などであるが、これらに限定されない、いくつかの方法で実施することができる。いくつかの実施例では、図９Ｃにおける加工の結果として示される、図示される種類の層状構造体又はアセンブリは、ブロッキング特徴９２０を有さずに形成されてもよい。
電池素子用の重合セパレータ
一部の電池設計では、（前項で説明した）個々のセパレータの使用は、非限定的な例として、コスト、材料の入手可能性、材質、又は一部の材料選択肢に関する加工の複雑性といった様々な理由から、不可能な場合がある。そのような場合、例えば、図８Ａ〜図８Ｈのプロセスにおいて図示したものであってよい成型（cast）又は現場成形（form-in-place）セパレータが、望ましい利益をもたらすことができる。デンプン又はペーストを用いたセパレータは、単３電池及び他の形式のルクランシェ電池又は亜鉛炭素電池において商業ベースで成功裏に使用されているが、こうしたセパレータは、色々な意味で、超小型層状電池のある種の実施例で使用するのに適さない場合がある。本開示の電池で使用するあらゆるセパレータに関して特に注意を払う必要があり得るのは、形状の均一性及び一貫性である。既知のカソード容積を後に精密に組み込み、かつ一貫した放電容量及びセル性能を後に実現するのを促進にするために、セパレータ容積の精密な制御が必要であり得る。
均一で機械的に頑丈な現場成形セパレータを得る方法は、ＵＶ硬化性ヒドロゲル配合物を使用することであり得る。多くの水透過性ヒドロゲル配合物が、種々の業界（例えば、コンタクトレンズ業界）において既知であり得る。コンタクトレンズ業界において一般的なヒドロゲルの例は、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）架橋ゲル、つまり簡単にｐＨＥＭＡであり得る。本開示の多くの用途に関し、ｐＨＥＭＡは、ルクランシェ及び亜鉛炭素電池で使用するのに多くの魅力的な特性を有する場合がある。ｐＨＥＭＡは、典型的には、約０．７ＭＰａ（１００ｐｓｉ）以上の弾性率を維持しながら、水和状態において約３０〜４０％の含水量を維持することができる。更に、当業者は、追加の親水性モノマー（例えばメタクリル酸）又はポリマー（例えばポリビニルピロリドン）成分を組み込むことによって、架橋ヒドロゲルの弾性率及び含水量特性を調整することができる。このようにして、ヒドロゲルの含水量、又は、より詳細には、イオン透過性を、配合によって調整することができる。
特に有利な点として、いくつかの実施例では、注型可能及び重合可能なドロゲル配合物は、加工を容易にするために、１又は複数の希釈剤を含有していてよい。希釈剤は、注型可能な混合物をキャビティ内にスキージした後、揮発性溶媒成分を除去するのに十分な乾燥時間が可能となり得るように、揮発性であるように選択することができる。乾燥後、選択した光開始剤（ＣＧＩ ８１９など）に適した波長（４２０ｎｍの青色／ＵＶ光など）の化学線に暴露することによって、バルク光重合を開始してもよい。揮発性希釈剤は、重合性材料の均一層をキャビティ内に注型成形するのを容易にするように、望ましい塗布時の粘度をもたらすのに役立ち得る。揮発性希釈剤はまた、特に強い極性のモノマーを配合物に組み込む場合に、有益な表面張力低減効果をもたらすことができる。キャビティ内への重合性材料の均一層の注型成形を達成するために重要であり得る別の態様は、塗布時の粘度であり得る。一般的な低モル質量の反応性モノマーは典型的に、粘度があまり高くなく、典型的にはわずか数センチポアズであり得る。注型可能かつ重合可能なセパレータ材料の粘度を有利に制御する目的で、重合性材料と適合性があることで知られている高モル質量のポリマー成分を選択して、配合物に組み込んでもよい。例示の配合物に組み込むのに適し得る高モル質量のポリマーの例としては、ポリビニルピロリドン及びポリエチレンオキシドを挙げることができる。
いくつかの実施例では、注型可能かつ重合可能なセパレータは、前述したように、設計されたキャビティに好都合に適用することができる。代替実施例では、重合時にキャビティが存在しなくてもよい。代わりに、注型可能かつ重合可能なセパレータ配合物を電極含有基板（例えば、パターニングして亜鉛めっきを施した黄銅）にコーティングした後、続いてフォトマスクを使用して化学線に暴露して、標的領域内のセパレータ材料を選択的に重合させてもよい。次に、適切なリンス溶媒に暴露することにより、未反応のセパレータ材料を除去することができる。こうした実施例では、セパレータ材料は、フォトパターニング可能なセパレータとして設計され得る。
一次電池の実施例
堆積されたセパレータを有する生体適合性通電素子の加工のいくつかの実施例では、一次電池が形成され得る。典型的な一次電池は、その使い捨て特性により特徴付けることができる。層状加工と一致する実施例では、電池は、以下の特性及び下記の表に記載される素子を有して形成される。
Figure 2019009121
本発明に一致し得るカソード化学製剤の配合物は数多く存在し得る。非限定的な例として、配合物は、黒鉛混合物中の電解二酸化マンガンを含み得る。一実施例を挙げると、ジェット粉砕した電解二酸化マンガン（ＪＭＥＭＤ）と、Ｔｉｍｃａｌより入手可能なＫＳ６黒鉛（ＩＭＣＡＬ ＴＩＭＲＥＸ（登録商標）ＫＳ６ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ）とを、ＪＭＥＭＤ ８０％：ＫＳ６ ２０％の重量比で混合することにより、粉末混合物を形成してもよい。混合は多くの手段で行うことができる。例えば、ＪＭＥＭＤ及びＫＳ６は、これら２種類の粉末を長期間（数分から数時間程度）グラインドミルにて粉砕することによって、混合してもよい。いくつかの実施例では、得られた粉末混合物を、トルエン溶液中で、１０％のポリイソブチレン（ＰＩＢ）と混合してもよい。ＰＩＢの１０％溶液は、ポリイソブチレングレードＢ５０とトルエンとを、ＰＩＢ Ｂ５約１０重量部：トルエン０〜９０重量部の配合で混合することにより形成され得る。１０％のＰＩＢを、追加量のトルエン及びＪＭＥＭＤ／Ｋ６粉末と混合して、カソード加工用のスラリーを調製してもよい。これら材料のこの混合物は、約１．５部のＰＩＢ Ｂ５０／トルエン溶液で開始してもよい。これに、約２．３部のトルエンを加えることができる。この混合物は、４．９部のＪＭＥＭＤ／ＫＳ６粉末を加えることで完成させることができる。これにより、約１．７％のＰＩＢ、４５％のＪＭＥＭＤ、１１％のＫＳ６、及び残部のトルエンよりなる混合物を得ることができる。ペースト状の稠度を有する均一なスラリーが形成されるまで、混合を継続することができる。系における溶媒（一実施例ではトルエン）の量は、形成されるスラリーの特性に影響を及ぼすように変化させることができ、他の実施例では、スラリー中のＰＩＢ Ｂ５０の相対量は、この実施例と異なっていてもよい。
一次電池の実施例を続けると、ヒドロゲルセパレータは、前駆体混合物から、本開示に記載した方法で形成され得る。一実施例では、前駆体混合物は、ヒドロキシエチルメタクリレート（ＨＥＭＡ）を、エチレングリコールジメチルアクリレート（ＥＧＤＭＡ）及びポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）と混合することにより形成されてもよい。混合物に加えられる他の構成要素が存在してもよい（例えば、光開始剤など）。例示的な光開始剤は、フェニルビス（２，４，６−トリメチルベンゾイル）−ホスフィンオキシドであり得、これはＩｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）８１９（本明細書では「ＣＧＩ８１９」と呼ぶ場合もある）などの市販配合物として入手可能であり得る。所望の混合物レオロジーを達成するために様々な量で使用することができる、多くの溶媒も存在し得る。非限定的な例では、２−プロパノール（proponol）を適切な溶媒として使用することができる。
生体適合性通電装置の素子（カソード及びカソードスラリーなど）に関する一般的な説明の多くは、一次電池素子に関連する実施例を有し、こうした様々な素子の変形形態及び実施例は、本明細書の一次電池素子の他の実施例を含むことが見込まれている。
いくつかの実施例では、亜鉛アノードは、アノード集電体材料の上に亜鉛を電着させることによって形成してもよい。他の実施例では、既に記載したように、電着は、積層構造を通してアノード集電体材料の露出部分のみに行われてもよい。アノード材料を堆積させるやり方は、例えば、ラミネーション又は金属クラッドなど、数多く存在し得、他の電池システムは、亜鉛ではなく他の化学種（非限定的な例として銀など）を使用してもよい。
電池は、様々な種類の電解質製剤を含み得る。水酸化物の塩基性溶液を電解質に含ませてもよい。しかしながら、生体適合性電池のいくつかの実施例では、塩基性の低い電解質製剤が使用され得る。本発明で使用する電解質は、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、酢酸アンモニウム、塩化アンモニウム、及び同様の塩類を、約０．１パーセント〜３０パーセントの質量濃度で含んでいてもよい。加えて、例えば湿潤性を改善するため、又は腐食を低減するために、電解質製剤に界面活性剤が添加されてもよい。例示的な界面活性剤としては、０．０１パーセント〜２パーセントの濃度の、Ｔｒｉｔｏｎ（商標）Ｘ−１００、Ｔｒｉｔｏｎ（商標）ＱＳ４４、及びＤｏｗｆａｘ（商標）３Ｂ２を挙げることができる。例として、Ｔｒｉｔｏｎ（商標）Ｘ−１００を塩化亜鉛、塩化アンモニウム溶液に添加してもよい。電解質配合物の一実施例は、２０％の塩化亜鉛、５００ｐｐｍのＴｒｉｔｏｎ（登録商標）ＱＳ−４４、酢酸インジウムとして供給される２００ｐｐｍのインジウム＋３イオン、及び残部の水であり得る。
二次電池の実施例
本開示に記載した構造体及び製造プロセスは、一般に、二次（即ち再充電可能）電池の製造に有用であり得る。一次素子に関する考慮事項と異なるいくつかの考慮事項が、二次電池素子に関して存在し得る。電池素子の再充電プロセスにより、電池構成要素が膨張及び収縮する場合があるので、いくつかの実施形態では、特徴部及び収容層の寸法、並びに電池の組成を調整してもよい。電解質にゲル状のポリマー層を使用することにより、充電サイクル中に、そしてその後の放電サイクル中に、電極イオンがデバイス内を動き回るにつれて膨張及び収縮する態様のいくらかを吸収することができる層を得ることができる。
二次電池では、アノード層及びカソード層は、デバイスが充電されているか放電されているかに依存して呼び名が入れ替わってもよく、第１の電極及び第２の電極と考えることができる。したがって、電解槽と見なすことができるように電池セルが充電されているのか、又はガルバニ電池と見なすことができるように電池セルが放電されているのかを参照して、アノード及びカソードに言及することが有用であり得る。したがって、ガルバニ電池のカソードと呼ぶ場合には、第１の電極構造は、外部接続された回路から電子を自発的に受け取る働きをすることになる。同様に、電解槽のカソードは、物理的に、外部の充電素子から電子を受け取る、二次電池の第２の電極である。
いくつかの実施例では、亜鉛電極及び二酸化マンガン電極を使用する電池の種類は、二次電池として機能し得るが、二次電池の一般的な例は更に多く存在する。二次電池の一般的な種類において、リチウムイオンは、エネルギーを貯める化学種を含み得る。リチウムイオン電池内に電極を形成する方法は多く存在し得る。本発明によるデバイスの種類では、ガルバニ電池のアノードに存在し得る多数の挿入されたリチウム化合物が存在し得る。例えば、カソードスラリーは、とりわけ、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム、リチウムマンガン酸化物、及びリン酸鉄リチウムを含み得る。
第２の電極は、ガルバニ電池のアノードであってよく、いくつかの実施例では、黒鉛又は他の形態の炭素で形成されてもよく、又は黒鉛又は他の形態の炭素でコーティングされてもよい。他の実施例では、様々な形態の堆積シリコンを使用してもよい。一次電池に関して記載した亜鉛の電気めっきと同様のやり方で、基板にわたる複数領域又は平坦層にシリコンを電気めっきしてもよい。電気シリコンめっきは、いくつかの実施例では、白金、チタン、又はシリコンの薄層の表面コーティングを有していてよい集電体金属接触層の上に形成されてもよい。電極材料のめっき（platting）は、非限定的な例として、ＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣＬ３、ＳｉＢｒ４、Ｓｉ（Ｃｈ２Ｃｈ３）４、又はＳｉ（ＯＯＣＣＨ３）４を含む非水性媒体中で実施してもよい。他の実施例では、図７Ｄに示すのと同様の方法で、黒鉛層又はシリコン層を集電体の表面にスパッタ堆積し、第２の集電体領域を形成してもよい。
電極は、積層加工に関して前述した方法と一致する方法で、金属シート上に形成され得る。これら電極及び金属シートは、基層、即ち、キャビティを形成する積層体層の底面を形成し得る。更に、カソードを形成し、セルに電解質を充填した後、他の集電体を使用して積層構造体をキャップしてもよい。
電解質溶液を形成するために、リチウム塩は通常、非水溶媒系に溶解され得る。したがって、こうした非水溶媒系は、様々な接着剤層と異なる様式で相互作用する可能性があり、電池装置の封止完全性が重要であり得るので、必要となり得る接着剤系の選択肢は、非水溶媒の使用に応じて変化してもよい。ポリマー電解質を組み込むリチウムポリマーデバイスにおいては、ゲル状のポリマー電解質が知られている。キャビティに液体前駆体を充填することから始まるセパレータの形成方法を、こうした種類の二次電池で実施してよく、その場合、重合セパレータは、ＰＶＤＦ又はポリ（アクリロニトリル）などのポリマーから形成され得る。いくつかの実施例では、ヒドロゲル形成前駆物質を使用することが可能であり得、ポリマーはリチウムセルに合った従来の塩でゲル化される。例えば、非限定的な例では、セパレータ前駆体は、非限定的な例としてエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、及びジエチルカーボネートなどの非水溶媒中で、六フッ化リン酸リチウムと混合され得る。得られるゲル化層は、ヒドロゲル前駆体の加工に関連して記載したように収縮が可能となるように、過剰量の溶媒を用いて形成され得る。
非限定的な具体例では、積層加工に関する先の説明において記載したように、キャビティに基づく積層構造を形成してよく、その場合、底層は、上に黒鉛又はシリコン層が取り付けられた集電体であってよい。集電体に取り付けられる積層体層は、前述したように、その中にキャビティを有することができる。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。いくつかの実施例では、特に高濃度の溶媒の場合、積層構造用の接着剤系は、ＤＭＡｃ−グリセロール溶媒系とのコンシステンシーを最適化するように変更されてもよい。画定されたキャビティ内への注型成形溶液のスキージ処理の後、得られた構造体を、室温又は高温でしばらくの期間乾燥させてよい。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、得られた構造体を、真空環境内で２０〜４０時間かけて乾燥させることができる。
いくつかの実施例では、得られたセパレータ層は、電解質溶液に暴露することにより処理されてもよい。非限定的な実施例では、エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）及びエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）のおよそ１／１／１混合物中の１モル六フッ化リン酸リチウム溶液を形成し、キャビティ内に分配することができる。他のいくつかの実施例では、電解質への暴露は、キャビティ内にカソードを形成した後に実施してもよい。
異なる種類の実施例では、積層構造は、図４Ａ〜図４Ｎを参照して概説した方法で作製されてもよい。Ｃｅｌｇａｒｄ膜などのセパレータを、ギャップスペーサ層の特徴寸法に切断した後、削り取ってキャビティにするのではなく、積層構造体内に定置することができる。定置されたセパレータは、「カソードスラリー」で更に加工する前に、電解質への暴露によって処理されてもよい。
得られた構造体は、この時点で、カソードスラリーによる処理を受ける準備ができていてよい。異なる種類のリチウム化合物を含む、多様なカソードスラリーを使用できる。但し、リチウム以外の化学種も利用可能である。非限定的な例では、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）系スラリーを使用してもよい。いくつかの実施例では、リン酸鉄リチウムスラリーは、最初にカルボキシメチルセルロースナトリウムを脱イオン水に混合することにより形成され得る。次に、得られた混合物に、リン酸鉄リチウムと、合成黒鉛及びカーボンブラックなどの導電剤とを含む粉末を添加し、十分に混合してよい。次いで、スチレンブタジエンゴムを加え、十分に混合することによって、更に精製されたスラリーを形成することができる。次に、スキージプロセスを用いるなど、本開示に記載した手段でこのスラリーを処理して、キャビティ構造体に入れることができる。スラリーのレオロジーは、例えば、溶媒を追加又は除去することによって、あるいは添加するスチレンブタジエンゴムの相対量を調整することによって、スキージベースの充填プロセスの完全性を最適化するように調整することができる。次に、得られた充填構造体を、真空環境内にて２０〜４０時間にわたり乾燥させてよい。
いくつかの実施例では、得られたカソード及びセパレータ層は、電解質溶液に暴露することにより処理されてもよい。非限定的な実施例では、エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）及びエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）のおよそ１／１／１混合物中の１モル六フッ化リン酸リチウム溶液を形成し、キャビティ内に分配することができる。いくつかの実施例では、電解質は、電解質混合物が層内に拡散するのを促進するために、加圧処理又は真空処理のいずれかの助けを借りてカソードに添加されてもよい。
第２の集電体層は、積層構造体から剥離層を除去した後に、積層構造体に取り付けられてもよい。被着した集電体は、堆積されたスラリーと接触し、電解質が注入されたカソードと金属集電体との間に電気接点を提供し、それにより電池構造体を得ることができる。
電池構造体を封止するための金属層の無電解めっき序説
金属めっきは、非限定的な例として、宝飾品類又は金属装具における美的な目的のため、産業機械又は装具若しくは材料の表面に耐腐食性を追加するため、又は更には表面に電導性を加えるためといった多くの適用例において、優れた有用性を有する。生体適合性通電素子において、電池本体を取り巻くめっきは、材料の出入りに対する封止バリアを形成するのに有用であり得る。電池構造体の上に金属層をめっきするための多くの方法が存在し得るが、大前提は、電池の外面の表面上に金属材料のコーティング又は層を堆積させることを伴い得る。金属めっきは、銅、ニッケル、プラチナ、ロジウム、及び多くの他のものを含む多数のタイプの金属で行われ得る。金属めっきの結果は、他の金属、半導体、又はプラスチックが挙げられるがそれらに限定されない多数のタイプの他の材料上の金属の堆積であってもよい。
金属めっき方法の典型的な例としては、電気めっき及び無電解めっきを挙げることができ、これらはいずれも、材料に金属層をコーティングすることを伴う。しかしながら、電気めっきは、コーティングされる材料上で誘導された電荷を伴い得る一方で、無電解めっきは、電気を伴うことはできず、金属を堆積させる化学反応を伴い得る。
電気めっきは、首尾良く行われたコーティングにおいて所望の仕上げ、堆積された材料の一貫した厚さ、及びその他の所望される品質を得るために、多数の工程を含み得る。いくつかの例では、部品は、効果的なめっきを確実にするために最初に十分に前処理されてもよい。前処理工程としては、非限定的な例として、研磨、マスキング、エッチング、洗浄、蒸気洗浄、すすぎ、超音波洗浄、又は電解清浄を挙げることができるが、これらに限定されない。いくつかの例では、前処理は、コーティングされるべき部品の表面から油、グリース、又は他の汚染物質を除去してもよい。
首尾良く行われた前処理の後で、被めっき物体は、堆積させるべきイオンの形態の金属を含む溶液槽内に配置され得る。典型的には、電気めっきの方法は、溶液槽への正の電荷の誘導、及び被めっき物体への負の電荷の誘導を含み得る。電荷におけるこの差は、溶液槽内の金属粒子とめっきされた物体との間で電気的引力を誘発し得る。この引力は、イオン状態を化学的に改質し、溶液槽の金属粒子を物体に結合させて、物体の表面をコーティングすることができる。
被めっき材料の組成及び溶液槽に応じて、電圧、溶液槽のｐＨ、溶液中の金属の濃度、めっき持続時間及び室温が挙げられるが、これらに限定されない、特定の条件が、効果的なめっきを確実にするために好ましくは維持されるべきである。これらの条件の調節は、結果として得られる金属表面の仕上がり、堆積された金属の色、堆積の速度、又は堆積された金属の厚さが挙げられるがこれらに限定されないめっきの様々な態様を変化させ得る。他の周囲条件（例えば、溶液槽中の気泡又は汚染物質）によって、結果として生じる仕上げがもたらされる場合もある。これらの不完全性を、非限定的な例として、槽を撹拌すること又は槽に炭素処理を施すことによって解決してもよい。いくつかの例では、生体適合性通電素子上のめっきされた表面における不完全性の全ての原因を減らすことが重要である場合がある。なぜならば、このような不完全性によって封止部の有効性が低下する場合があるからである。
すすぎ、蒸気洗浄、加熱乾燥又はその他の方法が挙げられるがこれらに限定されない様々な形態の後処理もまた、電気めっきでの成功を確実にするために必要であり得る。
無電解めっきは、首尾良く行われたコーティングにおいて所望の仕上げ、堆積された材料の一貫した厚さ、及びその他の所望される品質を得るために、多数の工程を含み得る。無電解めっきは、電気めっきに関して論じたのと同じ、生体適合性通電素子のコーティング及び封止に関する必要条件を有し得る。まず、コーティングされるべき部品は、効果的なめっきを確実にするために十分に前処理されてもよい。前処理工程としては、洗浄が挙げられ得るがこれに限定されない。洗浄は、コーティングされるべき物体の任意の先行処理工程から残っている汚染物質及び／又はくず、並びにコーティングされるべき部品の表面からの油、グリース、又は他の汚染物質を除去する助けとなり得る。洗浄は酸又は他の種類の洗浄溶液を用いて実現してもよい。適切な洗浄溶液を選択する際には、どの材料又はくずを取り除くのか、洗浄された部品（したがって溶液）を洗浄中に保持する温度、洗浄溶液の所望の濃度、どのくらいの機械仕事（撹拌など）が洗浄剤と共に必要であり得るか、並びに他の可能な態様を考慮することが重要であり得る。
前処理工程としてはまた、非限定的な例として、エッチング、マスキング、すすぎ、乾燥、及び活性剤溶液と同様に活性剤プリディップ溶液中への被めっき物体の浸漬も挙げられ得る。エッチングは、非限定的な例として、めっきのための所定の位置としての役割を果たす輪郭を被めっき作業対象物へとエッチングするための、化学的手段及び／又は機械的手段の使用も含み得る。予備浸漬溶液は、ワークピースに実際のめっきを施すための準備を整える活性剤溶液と共通のイオンを含有してもよい。この予備浸漬溶液は、典型的には、ワークピースに適用され、活性剤溶液に加えられる前に洗い流されないように設計してもよい。プリディップ溶液は、付随する活性剤溶液よりも、金属イオン汚染に対する感受性が低いことがある。プリディップ溶液の使用には、非限定的な意味で、結果として安価となり、活性剤溶液を金属イオン汚染から守ることができ、プロセスがより効率良くなることにより質の高い結果をもたらすのに役立つという多数の利点が存在し得る。
プリディップ後に、活性剤溶液は、ワークピースに適用され得る。活性剤は、溶液中の他のイオンによって還元状態に保持されるある特定のイオンを含有してもよい。実際には、還元イオンを接合面に機械的に保持してもよい。還元イオンは、無電解めっきを促進する化学反応に対する触媒として働く。ワークピースの表面上の活性剤溶液の十分な層は、無電解めっきプロセスを触媒するのに重要であるが、活性剤溶液の層が厚すぎると、めっき金属の適切な接着に対するバリアとして作用する可能性があるので、これは回避すべきであることに留意することが重要であり得る。
前処理工程はまた、活性化後工程、即ちまた一般的に呼ばれ得るように加速も含み得る。この工程は、プリディップ工程において活性剤溶液から堆積された種を、実際の無電解めっき工程の前にできるだけ「活性」であるように活性化することを可能にするのに役立ち得る。この工程によって、活性化種が、実際のめっき工程において、無電解めっき溶液とより容易に相互作用できるようになる場合がある。これによって、無電解めっき反応の開始時間が短くなり得るだけでなく、活性化種が無電解めっき溶液を汚染する可能性が最小限に抑えられ得るため、めっき結果の品質が向上する。この活性化後工程が抜けた場合、ワークピースに堆積した活性剤溶液は、無電解めっき溶液の汚染物をもたらす場合があり、無電解めっき反応の開始を遅らせる恐れがある、わずかに粘着性の種を含み得る。いくつかの例では、後活性化溶液は酸性であってもよく、活性剤と後活性剤との間のすすぎ洗い工程に起因して作業対象物面上に形成される可能性がある金属酸化物を取り除くように作用してもよい。これは作業対象物にとっては良好であるが、後活性剤を汚染する働きをする場合があり、溶液槽を、これらの金属又は他の汚染物質によって過度に濃縮された後に、補充する必要があり得る。
前処理後、作業対象物を、非限定的な例として次の可能な成分を含む化学浴に浸漬してもよい：（堆積に所望される金属の）金属塩、還元剤、アルカリ性水酸化物、キレート剤、安定剤、増白剤、及び所望により湿潤剤。還元剤及び水酸化物イオンは、溶液槽内に含まれる金属の堆積に必要である還元力をもたらし得る。堆積反応は、活性剤工程中に作業対象物の表面に適用されていてもよい触媒種によって開始され得る。典型的な無電解めっき浴の選択は、温度、所望のめっき速度、所望のめっき厚さ、及び金属濃度（したがって単一槽における複数の作業対象物に対するめっき反応の繰り返し性であるが、この繰り返し性は、多くの他の要因にも依存すると見ることができる）が挙げられるがこれらに限定されないいくつかの要因に依存し得る。
無電解めっきによる包装体バリア強度及び機械的強度の向上
いくつかの例において、電池包装体における側部継ぎ目は、水分及びガス種のセルの内外への輸送を可能にする、バリア特性が潜在的に乏しい領域を生じさせる場合がある。ラミネート内に包装された従来の電池（「パウチセル」）は、全ての側部ではるかに広い継ぎ目を有し得る。例えば、パウチセルの側部封止は、マイクロ電池の全幅より大きい場合がある（側部あたり２〜４ｍｍ、これに対してマイクロ電池の幅は約１ｍｍを下回る）。幅広い継ぎ目は、小さなマイクロ電池に組み込むが不可能であり得るが、幅を起因とする水分及びガスの有効なバリアとして機能し得る。したがって、本明細に書記載の層状構造のように、非常に狭い継ぎ目を有しながらバリア強度を実現する代替の解決法が望まれ得る。
いくつかの例において、解決策は、無電解めっきを使用したコンフォーマルバリア層によるマイクロ電池のオーバーコーティングを伴い得る。コンフォーマル密閉バアリアコーティングを生成することができる技術の範囲が存在し得る。小型電池のオーバーコーティングは、特別な課題を提示し得る。包装体の不完全なバリア特性と組合せた電池電解質内の水分の存在は、電池の表面への包装材料を通した水分の継続的流動が存在し得ることを意味し得る。この流動は、表面を汚染するように働く恐れがある。更に、不完全な包装材料は、水分の流出を可能にする恐れがある。更に、いかなるコーティング方法でも可能な温度を制限し得るプラスチック包装材料の融点（例として、ポリプロピレンの場合はほぼ１６０℃）によって、制限が課せられ得る。
堆積用に清浄表面を必要とするスパッタ堆積及び熱蒸着などの真空技術はまた、表面への水分の継続的流動に起因してマイクロ電池のオーバーコーティングにとって粗悪になる場合がある。また、原子層堆積は、同じ理由で適さない場合がある。ゾル−ゲルコーティング及び化学蒸着などの他の技術は、電池を損傷する恐れのある温度への暴露を必要とする場合がある。
いくつかの例では、バリア有効性及び機械的強度を改善するための望ましい解決策は、共形バリアコーティングを生成する技術として無電解めっきを伴う場合がある。無電解めっきの原理は、本明細書で論じられている。無電解めっきは、導電又は非導電コーティング上に共形金属層を堆積させ得る。無電解めっき浴は、ニッケル、銅、及びスズなどの金属をプラスチック表面上に堆積させるために開発された。無電解めっき金属は、次いで無電解めっき又は電気めっきを使用して、ニッケル、銅、スズ、金、銀、カドミウム、及びロジウムを含む多種多様の金属で更にめっきされてもよい。場合によっては、コスト、腐食、及び／又は機械的懸念のために、２層を超える電気めっき層を組み込んだ層状構造を使用することが望ましい場合がある。
コーティングは、適宜厚くしてもよく、バリアとして作用することに加えて電池を機械的に増強することができる。この機械的増強は、セルの側部から水素を押し出して、亜鉛腐食中の水素ガス発生による膨隆を低減又は除去し得る。めっきによる電池端子間の短絡の発生を回避するために、めっきプロセス中に非導電材料を使用して端子の一方又は両方をマスクすることが必要な場合がある。
いくつかの例では、層は、無電解めっきで形成されてもよく、ここで無電解めっき及び／又は電気めっきを、それらの上におおよそ２５マイクロメートル（１ミル）の共形の銅コーティングを作るために使用することができる。めっき中、プレーターズテープを使用してこれらの電池の端子両方をマスクし、めっき加工中の電池の短絡を回避することができる。
次にテープを端子から取り除いてもよく、その後電池を相対湿度５０％で室温にてエージングしてもよい。
めっき生体適合性電池
一例では、完全に形成された層状構造二次電池を、無電解堆積に続いて電気めっきを用いて封止してもよい。非限定的な例において、二次電池は、チタン箔から製造されたカソード電流コレクタと、リン酸鉄リチウムから形成されたカソード電極化学物質とを含んでもよい。二次電池はまた、リチウムヘキサフルオロホスフェート、グラファイト、又はシリコンベースのアノード電極化学物質と混合されたポリマーベースのセパレータ、及び金属箔アノード電流コレクタを含んでもよい。電池は、エチレンカーボネート（ＥＣ）／ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）及びエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）のおよそ１／１／１混合物中の１モル六フッ化リン酸リチウム溶液の電解質を有してもよい。各種構成要素の製造に関する多くの変形形態が存在し得る。
各種構成要素は、層状構造体に形成されてもよく、層状材料は、最初に接着剤で結合され得るポリエチレンテレフタレートであってもよい。いくつかの例では、テレフタレート積層体層の縁部は、超音波シーリング又はレーザー溶融によって溶着されてもよい。テレフタレート表面を、清浄し、酸洗浄プリディップで処理して残留スラリーなどの汚染物（contaminates）を除去してもよい。他の洗浄及び清浄としては、ＲＣＡタイプの清浄、ＳＣ１及びＳＣ２タイプの過酸化物ベースの清浄、フッ化水素酸、硫酸、及び酸の組み合わせを挙げることができる。促進剤又は増感剤は、Ｔｒａｎｓｅｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙから入手される「Ｔｙｐｅ Ｃ」溶液などの専売製剤を含んでもよい。活性剤は、表面を処理するために次に使用され得る。非限定的な例として、「Ｔｙｐｅ Ｄ」溶液（Ｔｒａｎｓｃｅｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ）を用いてもよい。図１０Ａを参照すると、この処理の結果を、図５の完全に形成された生体適合性通電素子上の層１０１０として例示する。
次に、前処理された表面を、無電解めっき用の槽の中、この例では銅、に浸漬してもよい。前処理され、活性化された電池本体を、この時点で、Ｔｒａｎｓｅｎｅ Ｃｏｍｐａｎｙ「Ｔｙｐｅ Ａ及びＴｙｐｅ Ｂ」無電解銅浴溶液の混合物中に、おおよそ４０℃の高温で数マイクロメートルの堆積を形成する時間にわたり浸漬させてもよい。結果として生じる堆積は、層１０２０として示されている。いくつかの例では、表面は、表面を安定化させるために酸の中で後洗浄してもよい。
いくつかの例では、堆積のより厚い層、恐らく１０マイクロメートル以上の厚さの銅は、銅浴電気めっきを使用して無電解層の上に堆積されてもよい。結果として得られる銅の層は、層１０３０として示されている。いくつかの例では、ロジウムの電気めっき処理が、電気めっきした銅層の次に層１０４０として続いてもよい。ロジウムは銅表面を安定させて保護することができる。したがって、いくつかの例では、薄層を最上表面として加えてもよい。
電池素子全体が銅層でめっきされた場合、電池の２つの接触部が短絡し、電池が機能しなくなる。したがって、電池の一方又は両方の接触部をめっきの前に保護して、接触部の周りの形成を防ぎ、接触部を離隔することができる。図１０Ｂを参照すると、めっき前の積層構造電池の例示的な上面図を、アノード接続部３３１とカソード接続部３３２とを有する図３Ｂの電池に対して例示する。保護膜（例えばめっき工のテープ’（plater's tape'））をアノード接点１０５０及びカソード接点１０６０の周りに配置してもよい。電池の残りの表面１０７０に、図１０Ａに例示するように無電解及び電気めっき層をコーティングしてもよい。コンタクト領域が積層構造体の非めっき表面を有し得るという事実は、電池の封止に関して問題とならない場合がある。いくつかの例では、接触部は、接触部の近くに比較的大きな封止部が存在するように十分に長く作製されてもよい。異なる意味において、二次電池の動作は、水素ガスなどのガスの発生につながる場合がある。１つ又は２つ以上の同様に封止されていない接触部の周囲の領域の存在は、発生したガスを徐々に消散させることを可能にする経路を作ることができるので有利な場合がある。
生体適合性装置
生体適合性装置は、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、能動部品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、ステントなどであってよい。
セパレータを含む生体適合性通電素子の形成、形成方法、及び形成器具に関する実施形態を示すために、特定の実施例について説明してきた。これらの実施例は、上記の例示のためであり、特許請求の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。結果的に、本説明は、当業者には明らかであり得る全ての実施形態を包含することを意図する。
〔実施の態様〕
（１） 生体適合性通電素子であって、
ギャップスペーサ層と、
前記ギャップスペーサ層内に位置する第１の孔と、
カソードスペーサ層であって、前記カソードスペーサ層は、前記ギャップスペーサ層に取り付けられている、カソードスペーサ層と、
前記カソードスペーサ層内に位置付けられた第２の孔であって、前記第２の孔は前記第１の孔と整列され、前記第１の孔と前記第２の孔とが整列されるときに、前記第１の孔の中に露出するカソードスペーサ層の隆起部が存在するように、前記第２の孔は前記第１の孔よりも小さい、第２の孔と、
セパレータ層であって、前記セパレータ層は、前記ギャップスペーサ層の前記第１の孔の内部に定置され、かつ前記カソードスペーサ層の隆起部に接着されている、セパレータ層と、
前記第２の孔の側面と、前記セパレータ層の第１の表面との間のキャビティであって、前記キャビティはカソード化学物質で充填されている、キャビティと、
アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体と、
前記カソード化学物質と電気接続された第２の集電体と、
電解質化学物質を含む電解質と、
めっきされた金属外部コーティングであって、無電解めっきでめっきされた部分を含み、前記めっきされた金属外部コーティングの厚さが、前記生化学的通電素子からの水分の出入りに対するバリアとして働くのに十分に厚い、めっきされた金属外部コーティングと、を含む、生体適合性通電素子。
（２） 前記カソード化学物質、前記アノード化学物質、及び前記電解質化学物質が、前記通電素子の複数の充電及び放電サイクルに適合する、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（３） 前記カソード化学物質が、リチウムの塩を含む、実施態様２に記載の生体適合性通電素子。
（４） 前記カソード化学物質が、リン酸鉄リチウムを含む、実施態様３に記載の生体適合性通電素子。
（５） 前記アノード化学物質が、挿入された金属原子を含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（６） 前記アノード化学物質が、挿入されたリチウム原子を含む、実施態様５に記載の生体適合性通電素子。
（７） 前記めっきされた金属外部コーティングが、銅を含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（８） 前記カソード化学物質が、リン酸鉄リチウムを含む、実施態様７に記載の生体適合性通電素子。
（９） 前記カソード化学物質が、カルボキシメチルセルロースナトリウムを含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（１０） 前記カソード化学物質が、合成黒鉛及びカーボンブラックのうちの１つ又は複数を含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（１１） 前記カソード化学物質が、スチレンブタジエンゴムのうちの１つ又は複数を含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（１２） 前記電解質が、六フッ化リン酸リチウムを含む、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（１３） 前記めっきされた金属外部コーティングのアノード接点及びカソード接点のうちの１つ又は２つ以上の領域における形成がブロッキング材料によって阻止されている、実施態様１に記載の生体適合性通電素子。
（１４） 前記生物医学的装置が、眼科用装置である、実施態様１３に記載の生体適合性通電素子。
（１５） 前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、実施態様１４に記載の生体適合性通電素子。
（１６） 生体適合性通電素子であって、
カソードスペーサ層と、
前記カソードスペーサ層内に位置する第１の孔と、
アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体であって、前記第１の集電体は、前記カソードスペーサ層の第１の表面に取り付けられ、第１のキャビティは、前記第１の孔の側面と、前記アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体の第１の表面との間に形成されている、第１の集電体と、
セパレータ層であって、前記セパレータ層は、セパレータ前駆体混合物が前記キャビティ内に分配された後に、前記第１のキャビティ内に形成されている、セパレータ層と、
前記第１の孔の側面と、前記セパレータ層の第１の表面との間の第２のキャビティであって、前記第２のキャビティはカソード化学物質で充填されている、第２のキャビティと、
前記カソード化学物質と電気接続された第２の集電体と、
電解質化学物質を含む電解質と、
めっきされた金属外部コーティングであって、無電解めっきでめっきされた部分を含み、前記めっきされた金属外部コーティングの厚さが、前記生化学的通電素子からの水分の出入りに対するバリアとして働くのに十分に厚く、前記めっきされた金属外部コーティングのアノード接点及びカソード接点のうちの１つ又は２つ以上の領域における形成がブロッキング材料によって阻止されている、めっきされた金属外部コーティングと、を含む、生体適合性通電素子。
（１７） 前記カソード化学物質、前記アノード化学物質、及び前記電解質化学物質が、前記通電素子の複数の充電及び放電サイクルに適合する、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（１８） 前記カソード化学物質が、リチウムの塩を含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（１９） 前記カソード化学物質が、リン酸鉄リチウムを含む、実施態様１８に記載の生体適合性通電素子。
（２０） 前記アノード化学物質が、挿入された金属原子を含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（２１） 前記アノード化学物質が、挿入されたリチウム原子を含む、実施態様２０に記載の生体適合性通電素子。
（２２） 前記カソード化学物質が、鉛、ニッケル、リチウム、コバルト、亜鉛、ナトリウム、バナジウム、銀、又はシリコンのうちの１つ又は複数を含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（２３） 前記カソード化学物質が、カルボキシメチルセルロースナトリウムを含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（２４） 前記カソード化学物質が、合成黒鉛及びカーボンブラックのうちの１つ又は複数を含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（２５） 前記カソード化学物質が、スチレンブタジエンゴムのうちの１つ又は複数を含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（２６） 前記電解質が、六フッ化リン酸リチウムを含む、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（２７） 前記セパレータ前駆体混合物が、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ジメチルシロキサン）、Ｎ−Ｎジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、及びグリセロールのうちの１つ又は複数を含む、実施態様２６に記載の生体適合性通電素子。
（２８） 前記セパレータが、グリセロールを、前記セパレータ前駆体混合物中のグリセロールの濃度から少なくとも９０％減少した濃度で含む、実施態様２７に記載の生体適合性通電素子。
（２９） 前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子と電気的に接続される、実施態様１６に記載の生体適合性通電素子。
（３０） 前記生物医学的装置が、眼科用装置である、実施態様２９に記載の生体適合性通電素子。
（３１） 前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、実施態様３０に記載の生体適合性通電素子。

Claims (31)

  1. 生体適合性通電素子であって、
    ギャップスペーサ層と、
    前記ギャップスペーサ層内に位置する第１の孔と、
    カソードスペーサ層であって、前記カソードスペーサ層は、前記ギャップスペーサ層に取り付けられている、カソードスペーサ層と、
    前記カソードスペーサ層内に位置付けられた第２の孔であって、前記第２の孔は前記第１の孔と整列され、前記第１の孔と前記第２の孔とが整列されるときに、前記第１の孔の中に露出するカソードスペーサ層の隆起部が存在するように、前記第２の孔は前記第１の孔よりも小さい、第２の孔と、
    セパレータ層であって、前記セパレータ層は、前記ギャップスペーサ層の前記第１の孔の内部に定置され、かつ前記カソードスペーサ層の隆起部に接着されている、セパレータ層と、
    前記第２の孔の側面と、前記セパレータ層の第１の表面との間のキャビティであって、前記キャビティはカソード化学物質で充填されている、キャビティと、
    アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体と、
    前記カソード化学物質と電気接続された第２の集電体と、
    電解質化学物質を含む電解質と、
    めっきされた金属外部コーティングであって、無電解めっきでめっきされた部分を含み、前記めっきされた金属外部コーティングの厚さが、前記生化学的通電素子からの水分の出入りに対するバリアとして働くのに十分に厚い、めっきされた金属外部コーティングと、を含む、生体適合性通電素子。
  2. 前記カソード化学物質、前記アノード化学物質、及び前記電解質化学物質が、前記通電素子の複数の充電及び放電サイクルに適合する、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  3. 前記カソード化学物質が、リチウムの塩を含む、請求項２に記載の生体適合性通電素子。
  4. 前記カソード化学物質が、リン酸鉄リチウムを含む、請求項３に記載の生体適合性通電素子。
  5. 前記アノード化学物質が、挿入された金属原子を含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  6. 前記アノード化学物質が、挿入されたリチウム原子を含む、請求項５に記載の生体適合性通電素子。
  7. 前記めっきされた金属外部コーティングが、銅を含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  8. 前記カソード化学物質が、リン酸鉄リチウムを含む、請求項７に記載の生体適合性通電素子。
  9. 前記カソード化学物質が、カルボキシメチルセルロースナトリウムを含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  10. 前記カソード化学物質が、合成黒鉛及びカーボンブラックのうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  11. 前記カソード化学物質が、スチレンブタジエンゴムのうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  12. 前記電解質が、六フッ化リン酸リチウムを含む、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  13. 前記めっきされた金属外部コーティングのアノード接点及びカソード接点のうちの１つ又は２つ以上の領域における形成がブロッキング材料によって阻止されている、請求項１に記載の生体適合性通電素子。
  14. 前記生物医学的装置が、眼科用装置である、請求項１３に記載の生体適合性通電素子。
  15. 前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、請求項１４に記載の生体適合性通電素子。
  16. 生体適合性通電素子であって、
    カソードスペーサ層と、
    前記カソードスペーサ層内に位置する第１の孔と、
    アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体であって、前記第１の集電体は、前記カソードスペーサ層の第１の表面に取り付けられ、第１のキャビティは、前記第１の孔の側面と、前記アノード化学物質でコーティングされた第１の集電体の第１の表面との間に形成されている、第１の集電体と、
    セパレータ層であって、前記セパレータ層は、セパレータ前駆体混合物が前記キャビティ内に分配された後に、前記第１のキャビティ内に形成されている、セパレータ層と、
    前記第１の孔の側面と、前記セパレータ層の第１の表面との間の第２のキャビティであって、前記第２のキャビティはカソード化学物質で充填されている、第２のキャビティと、
    前記カソード化学物質と電気接続された第２の集電体と、
    電解質化学物質を含む電解質と、
    めっきされた金属外部コーティングであって、無電解めっきでめっきされた部分を含み、前記めっきされた金属外部コーティングの厚さが、前記生化学的通電素子からの水分の出入りに対するバリアとして働くのに十分に厚く、前記めっきされた金属外部コーティングのアノード接点及びカソード接点のうちの１つ又は２つ以上の領域における形成がブロッキング材料によって阻止されている、めっきされた金属外部コーティングと、を含む、生体適合性通電素子。
  17. 前記カソード化学物質、前記アノード化学物質、及び前記電解質化学物質が、前記通電素子の複数の充電及び放電サイクルに適合する、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  18. 前記カソード化学物質が、リチウムの塩を含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  19. 前記カソード化学物質が、リン酸鉄リチウムを含む、請求項１８に記載の生体適合性通電素子。
  20. 前記アノード化学物質が、挿入された金属原子を含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  21. 前記アノード化学物質が、挿入されたリチウム原子を含む、請求項２０に記載の生体適合性通電素子。
  22. 前記カソード化学物質が、鉛、ニッケル、リチウム、コバルト、亜鉛、ナトリウム、バナジウム、銀、又はシリコンのうちの１つ又は複数を含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  23. 前記カソード化学物質が、カルボキシメチルセルロースナトリウムを含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  24. 前記カソード化学物質が、合成黒鉛及びカーボンブラックのうちの１つ又は複数を含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  25. 前記カソード化学物質が、スチレンブタジエンゴムのうちの１つ又は複数を含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  26. 前記電解質が、六フッ化リン酸リチウムを含む、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  27. 前記セパレータ前駆体混合物が、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ジメチルシロキサン）、Ｎ−Ｎジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ）、及びグリセロールのうちの１つ又は複数を含む、請求項２６に記載の生体適合性通電素子。
  28. 前記セパレータが、グリセロールを、前記セパレータ前駆体混合物中のグリセロールの濃度から少なくとも９０％減少した濃度で含む、請求項２７に記載の生体適合性通電素子。
  29. 前記生体適合性通電素子が、生物医学的装置内の電気活性素子と電気的に接続される、請求項１６に記載の生体適合性通電素子。
  30. 前記生物医学的装置が、眼科用装置である、請求項２９に記載の生体適合性通電素子。
  31. 前記眼科用装置が、コンタクトレンズである、請求項３０に記載の生体適合性通電素子。
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