JP7016409B2 - 金属空気電池および金属空気電池の製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、金属空気電池および金属空気電池の製造方法に関する。
金属空気電池は、空気極（正極）と金属負極（負極）と電解質層（電解液）とを備えて構成されている。
特許文献１には、外装材としてラミネートフィルムを用い、正極と負極と電解質層とを含む発電要素がラミネートフィルムに包被されたラミネート型金属空気電池が開示されている。
従来のラミネート型金属空気電池は、正極に電気的に接続された正極端子と負極に電気的に接続された負極端子とが、ラミネートフィルムからなる筐体（外装）から突出した構造をしている。正極端子と負極端子とが筐体から突出した構造では、電池と電気機器等の対象物とを接合するための媒介物がないため、正極端子および負極端子を対象物側の端子にはんだ付けや溶接などが必要になる。また、電池を対象物に取り付けた後も正極端子と負極端子とが露出しているため、端子間に誤って導体が触れることにより短絡する虞がある。
本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、はんだ付けや溶接を行わなくとも容易に対象物に取り付け可能であり、対象物への取り付け後に短絡しにくい構造を有する金属空気電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示の一態様の金属空気電池は、筐体と、前記筐体に収容された正極と負極とを備える金属空気電池であって、前記筐体は、通気性を有する第１表面と前記第１表面とは異なる第２表面とを備え、前記筐体内には、前記正極と電気的に接続された正極端子と、前記負極と電気的に接続された負極端子とが、前記第２表面からみて重ならない位置に形成され、前記第２表面には、前記正極端子に相当する位置に第１開口部が開設され、前記負極端子に相当する位置に第２開口部が開設され、前記第２表面の前記第１開口部および前記第２開口部を除く表面の少なくとも一部には、粘着剤を含む粘着層が形成されていることを特徴とする。
ここで、前記正極は、前記筐体の中で、前記第１表面側に配置され、前記負極は、前記筐体の中で、前記第２表面側に配置され、さらに前記正極と前記負極の間に、電解質を含む電解質層とを備えている、としてもよい。
ここで、前記筐体は、前記第１表面を含む第１樹脂シートと、前記第２表面を含み前記第１の樹脂シートと貼り合わされた第２樹脂シートとを含む、としてもよい。
ここで、前記負極は、前記第２樹脂シートに積層された負極集電体と、前記負極集電体に積層され、負極活物質を含む負極活物質層と、を有し、前記負極集電体は、前記負極集電体の一部分が延伸されて、前記負極端子となる負極リード、を含む、としてもよい。
ここで、前記電解質層は、前記負極活物質の周縁部を覆う、としてもよい。
ここで、前記正極は、前記電解質層に積層され、酸素還元能を有する触媒を含む正極触媒層と、前記正極触媒層に積層された正極集電体と、を有し、前記正極集電体は、前記正極集電体の一部分が延伸されて、前記正極端子となる正極リード、を含む、としてもよい。
ここで、前記第１樹脂シートは第３開口部を有し、前記正極は、前記正極集電体に積層され、前記第３開口部を内側から封止した撥水膜を備える、としてもよい。
ここで、前記正極の一部分が延伸されて、前記正極端子となる正極リードと、前記負極の一部分が延伸されて、前記負極端子となる負極リードと、前記第１樹脂シートと前記負極リードとの間、前記第２樹脂シートと前記正極リードとの間、および前記正極リードと前記負極リードとの間に配された絶縁テープと、をさらに備えている、としてもよい。
ここで、前記第１表面の表面に、通気性を有さない保護層が剥離自在に形成されている、としてもよい。
ここで、前記第２表面の表面に形成された粘着層の表面に、粘着性を有しない保護層が剥離自在に形成されている、としてもよい。
ここで、前記第１表面の少なくとも一部は、多孔質の絶縁材料で形成されている、としてもよい。
ここで、前記第１開口部と前記第２開口部の内部に導電性接着層が形成されている、としてもよい。
ここで、前記第１表面には、文字又は図形が表示されている、としてもよい。
ここで、前記図形はバーコードまたは２次元コードである、としてもよい。
本開示の一態様の金属空気電池の製造方法は、通気性を有する第１樹脂シート上に正極端子部を有する正極層を積層する第１工程と、前記第１樹脂シートとは異なる第２樹脂シート上に負極端子部を有する負極層を積層する第２工程と、前記第１樹脂シートの前記正極層と前記第２樹脂シートの前記負極層とを電解質層を介して対向させて前記第１樹脂シートと前記第２樹脂シートとを張り合わせる第３工程と、前記第２樹脂シートの前記負極層が積層されていない側の表面に粘着層を積層する第４工程とを含み、前記正極端子部と前記負極端子部とは、前記第２樹脂シート側から見て重ならない位置形成され、前記第２樹脂シートには、前記正極端子部に相当する位置に第１開口部が開設され、前記負極端子部に相当する位置に第２開口部が開設されていることを特徴とする。
本開示によれば、貼付面（第２表面）の２つの開口部（第１開口部および第２開口部）から露出する端子（正極端子および負極端子）と対象物側の端子とを対向させて貼り付けるだけで、対象物と電気的に導通させることができる。また、貼付面には、粘着層が形成されているのではんだ付けや溶接などをしなくても対象物に取り付けることが容易である。また、貼付面と反対側の表面からは、正極端子および負極端子が露出しないため、取り付け後に誤って触れて短絡する虞がない。
１ 実施形態１
本開示の実施形態１に係る金属空気電池１および金属空気電池１の製造方法について、図面を参照しつつ説明する。
本開示の実施形態１に係る金属空気電池１および金属空気電池１の製造方法について、図面を参照しつつ説明する。
１．１ 金属空気電池１の構成
図１は、本開示の実施形態１に係る金属空気電池１の外観斜視図である。図１（ａ）は、金属空気電池１の第１表面を示し、図１（ｂ）は、金属空気電池１の第２表面を示している。
図１は、本開示の実施形態１に係る金属空気電池１の外観斜視図である。図１（ａ）は、金属空気電池１の第１表面を示し、図１（ｂ）は、金属空気電池１の第２表面を示している。
図２（ａ）は、図２（ｄ）におけるＡ－Ａ’線による断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ｄ）におけるＢ－Ｂ’線による断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ｄ）におけるＣ－Ｃ’線による断面図であり、図２（ｄ）は、金属空気電池１の第２表面の正面図である。
図１（ａ）、（ｂ）および図２（ｄ）に示すように、金属空気電池１は、第１表面および第２表面ともに略矩形状の板状体に構成されている。金属空気電池１の第１表面は、開口部が開設されたラミネート材１１により構成され、開口部からは撥水膜１２が露出している。金属空気電池１の第２表面は、２つの開口部が開設されたラミネート材１８の表面に形成された粘着層１９により形成され、２つの開口部の一方からは、正極端子２０が露出し、他方からは、負極端子２１が露出している。金属空気電池１の筐体はラミネート材１１、１８により構成されている。
金属空気電池１は、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、ラミネート材１１、撥水膜１２、正極集電体１３、正極触媒層１４、セパレータ（電解質層）１５、負極活物質層１６、負極集電体１７、ラミネート材１８、および粘着層１９がこの順序で積層された構造をしている。
図３（ａ）は、金属空気電池１を構成部材に分解して示す分解斜視図である。図３（ｂ）は、金属空気電池１の構成部材を展開して示す展開図である。
（１）ラミネート材１１
ラミネート材１１は、略矩形状に形成された薄膜であって、その内部に略矩形状の開口部１１ａが開設されている。
ラミネート材１１は、略矩形状に形成された薄膜であって、その内部に略矩形状の開口部１１ａが開設されている。
（２）撥水膜１２
撥水膜１２は、撥水性樹脂を含有する多孔質材料により略矩形状に形成された薄膜である。撥水膜１２のサイズは、ラミネート材１１に開設された開口部１１ａよりも大きく、ラミネート材１１の全体のサイズよりも小さい。撥水膜１２は、金属空気電池１の内側からラミネート材１１の開口部１１ａを覆うようにラミネート材１１上に配され、開口部の周囲において、ラミネート材１１に熱溶着されている。
撥水膜１２は、撥水性樹脂を含有する多孔質材料により略矩形状に形成された薄膜である。撥水膜１２のサイズは、ラミネート材１１に開設された開口部１１ａよりも大きく、ラミネート材１１の全体のサイズよりも小さい。撥水膜１２は、金属空気電池１の内側からラミネート材１１の開口部１１ａを覆うようにラミネート材１１上に配され、開口部の周囲において、ラミネート材１１に熱溶着されている。
（３）正極集電体１３
正極集電体１３は、多孔性で電子伝導性を有する材料により略矩形の板状に形成されている。正極集電体１３のサイズは、撥水膜１２のサイズと同じであるか、撥水膜１２より大きいサイズである。
正極集電体１３は、多孔性で電子伝導性を有する材料により略矩形の板状に形成されている。正極集電体１３のサイズは、撥水膜１２のサイズと同じであるか、撥水膜１２より大きいサイズである。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、正極集電体１３の一部分が図の上方に延伸して正極リード２０ａを形成している。正極リード２０ａは、略矩形状に形成されている。正極リード２０ａのサイズは、ラミネート材１８の開口部１８ａのサイズと略同じであるが僅かに大きく、正極リード２０ａのうち開口部１８ａから露出した部分が正極端子２０となっている。正極端子２０は、第２表面側から見て、負極端子２１とは重ならない位置に形成されている。
（４）正極触媒層１４
正極触媒層１４は、導電性の多孔性担体と多孔性担体により担持された触媒とを含む材料により略矩形状に形成されている。正極触媒層１４に含まれる触媒上において、水と酸素ガスと電子とが共存する三相界面が形成され、放電反応又は充放電反応が進行する。ここで、金属空気電池１が一次電池の場合、触媒は酸素還元触媒であり、三相界面では放電反応が進行する。金属空気電池１が二次電池の場合、触媒は酸素還元触媒および酸素発生触媒であり、三相界面では充放電反応が進行する。
正極触媒層１４は、導電性の多孔性担体と多孔性担体により担持された触媒とを含む材料により略矩形状に形成されている。正極触媒層１４に含まれる触媒上において、水と酸素ガスと電子とが共存する三相界面が形成され、放電反応又は充放電反応が進行する。ここで、金属空気電池１が一次電池の場合、触媒は酸素還元触媒であり、三相界面では放電反応が進行する。金属空気電池１が二次電池の場合、触媒は酸素還元触媒および酸素発生触媒であり、三相界面では充放電反応が進行する。
（５）セパレータ１５
セパレータ１５は、略矩形状に形成された薄膜からなる。セパレータ１５は、正極（正極触媒層１４）と負極（負極活物質層１６）との絶縁を確保しつつ、これらの部材間の電荷担体の移動を可能とする。セパレータ１５は正極触媒層１４、および、負極活物質層１６よりも大きいサイズである。また、セパレータ１５は、正極触媒層１４の周辺部、あるいは、負極活物質層１６の周辺部を覆うように配置されてもよい。
セパレータ１５は、略矩形状に形成された薄膜からなる。セパレータ１５は、正極（正極触媒層１４）と負極（負極活物質層１６）との絶縁を確保しつつ、これらの部材間の電荷担体の移動を可能とする。セパレータ１５は正極触媒層１４、および、負極活物質層１６よりも大きいサイズである。また、セパレータ１５は、正極触媒層１４の周辺部、あるいは、負極活物質層１６の周辺部を覆うように配置されてもよい。
（６）負極活物質層１６
負極活物質層１６は、金属元素を含む活物質（負極活物質）からなる電極であり、略矩形状に形成されている。
負極活物質層１６は、金属元素を含む活物質（負極活物質）からなる電極であり、略矩形状に形成されている。
（７）負極集電体１７
負極集電体１７は、多孔性を有する材料により、略矩形の板状に形成されている。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、負極集電体１７の一部分が図の上方に延伸して負極リード２１ａを形成している。負極リード２１ａは、略矩形状に形成されている。負極リード２１ａのサイズは、ラミネート材１８の開口部１８ａのサイズと略同じであるが僅かに大きく、負極リード２１ａのうち開口部１８ａから露出した部分が負極端子２１となっている。負極端子２１は、第２表面側から見て、正極端子２０とは重ならない位置に形成されている。
負極集電体１７は、多孔性を有する材料により、略矩形の板状に形成されている。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、負極集電体１７の一部分が図の上方に延伸して負極リード２１ａを形成している。負極リード２１ａは、略矩形状に形成されている。負極リード２１ａのサイズは、ラミネート材１８の開口部１８ａのサイズと略同じであるが僅かに大きく、負極リード２１ａのうち開口部１８ａから露出した部分が負極端子２１となっている。負極端子２１は、第２表面側から見て、正極端子２０とは重ならない位置に形成されている。
（８）ラミネート材１８
ラミネート材１８は、略矩形状に形成された薄膜であって、その内部に略矩形状の開口部が２つ開設されている。２つの開口部のうち一方からは正極端子２０が露出し、他方からは負極端子２１が露出している。
ラミネート材１８は、略矩形状に形成された薄膜であって、その内部に略矩形状の開口部が２つ開設されている。２つの開口部のうち一方からは正極端子２０が露出し、他方からは負極端子２１が露出している。
（９）粘着層１９
粘着層１９は、ラミネート材１８の表面に設けられ、電気機器等の対象物に貼着するための層である。
粘着層１９は、ラミネート材１８の表面に設けられ、電気機器等の対象物に貼着するための層である。
１．２ 金属空気電池１の材料
ここでは、金属空気電池１を構成する構成部材等の材料について、当該分野で一般的に使用される材料であれば特に限定されないが、一例を説明する。
ここでは、金属空気電池１を構成する構成部材等の材料について、当該分野で一般的に使用される材料であれば特に限定されないが、一例を説明する。
（１）ラミネート材１１、１８
ラミネート材１１，１８を構成する材料は、電解液に対して耐腐食性を有する材料であって、かつ、耐熱性および熱溶着性を有する材料であることが好ましい。例えば、ポリエチレンテレフタラートやナイロンからなる層に熱溶着層としてポリプロピレンやポリエチレンからなる層を被覆したものを用いてもよい。ポリエチレンテレフタラートやナイロンは、熱溶着時の耐熱性基材として機能し、形状維持を担う。電池内部への酸素拡散による自己腐食を抑制するという観点では、耐熱性基材層は、ガスバリア性に優れるポリエチレンテレフタラートが好ましい。また、ガスバリア性を高めるため、アルミ層を蒸着してもよい。
ラミネート材１１，１８を構成する材料は、電解液に対して耐腐食性を有する材料であって、かつ、耐熱性および熱溶着性を有する材料であることが好ましい。例えば、ポリエチレンテレフタラートやナイロンからなる層に熱溶着層としてポリプロピレンやポリエチレンからなる層を被覆したものを用いてもよい。ポリエチレンテレフタラートやナイロンは、熱溶着時の耐熱性基材として機能し、形状維持を担う。電池内部への酸素拡散による自己腐食を抑制するという観点では、耐熱性基材層は、ガスバリア性に優れるポリエチレンテレフタラートが好ましい。また、ガスバリア性を高めるため、アルミ層を蒸着してもよい。
なお、ラミネート材１１とラミネート材１８とは、同じ材料を用いて形成されていてもよく、異なる材料を用いて形成されていてもよい。
（２）撥水膜１２
撥水膜１２は、電解質層（セパレータ１５）からの水分漏洩防止の観点から撥水性を有する多孔質材料であることが好ましい。例えば、多孔質ポリプロピレンや多孔質テフロン（登録商標）などを用いてもよい。また、ラミネート材１１、１８に用いた材料と上記多孔質材料とを組み合わせてもよい。
撥水膜１２は、電解質層（セパレータ１５）からの水分漏洩防止の観点から撥水性を有する多孔質材料であることが好ましい。例えば、多孔質ポリプロピレンや多孔質テフロン（登録商標）などを用いてもよい。また、ラミネート材１１、１８に用いた材料と上記多孔質材料とを組み合わせてもよい。
（３）正極集電体１３
正極集電体１３は、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。電解液としてアルカリ水溶液を使用する場合には、耐腐食性の観点から、ニッケル又はステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料を使用することが望ましい。メッシュ（例えば、金属繊維の織物）、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングによるもの、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで、正極集電体１３を多孔性とすることもできる。
正極集電体１３は、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。電解液としてアルカリ水溶液を使用する場合には、耐腐食性の観点から、ニッケル又はステンレスなどの金属素材の表面に対してニッケルメッキを施した材料を使用することが望ましい。メッシュ（例えば、金属繊維の織物）、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングによるもの、金属粒子や金属繊維の焼結体、発泡金属などを使用することで、正極集電体１３を多孔性とすることもできる。
（４）正極触媒層１４
正極触媒層１４には、カーボン、二酸化マンガン、ポリテトラフルオロエチレンを用いてもよい。また、ポリテトラフルオロエチレンの代わりに、アニオン交換性ポリマーやポリアクリル酸などの親水性ポリマーを用いてもよい。
正極触媒層１４には、カーボン、二酸化マンガン、ポリテトラフルオロエチレンを用いてもよい。また、ポリテトラフルオロエチレンの代わりに、アニオン交換性ポリマーやポリアクリル酸などの親水性ポリマーを用いてもよい。
（５）セパレータ１５
セパレータ１５には、アニオン交換性樹脂、電解質を含むことができる含水ゲル（架橋ポリアクリル酸ゲル）、又は、多孔質ポリプロピレンやビニロンなどの層に電解質を含侵したものを用いてもよい。電解質（電解液）としては、水酸化カリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ水溶液、塩化アンモニウムを含む水溶液などを使用してもよい。安全性の観点からアルカリ性でない塩化アンモニウムを含む水溶液の使用が望ましい。
セパレータ１５には、アニオン交換性樹脂、電解質を含むことができる含水ゲル（架橋ポリアクリル酸ゲル）、又は、多孔質ポリプロピレンやビニロンなどの層に電解質を含侵したものを用いてもよい。電解質（電解液）としては、水酸化カリウム、炭酸カリウムなどのアルカリ水溶液、塩化アンモニウムを含む水溶液などを使用してもよい。安全性の観点からアルカリ性でない塩化アンモニウムを含む水溶液の使用が望ましい。
（６）負極活物質層１６
負極活物質層１６としては、亜鉛（亜鉛粉）とアニオン交換性ポリマーを用いてもよい。亜鉛の代わりに亜鉛と他元素（例えば、ビスマス、インジウム、アルミニウムなど）との合金粒子を用いてもよい。アニオン交換性ポリマーの代わりにポリアクリル酸などの親水性ポリマーを用いてもよい。
負極活物質層１６としては、亜鉛（亜鉛粉）とアニオン交換性ポリマーを用いてもよい。亜鉛の代わりに亜鉛と他元素（例えば、ビスマス、インジウム、アルミニウムなど）との合金粒子を用いてもよい。アニオン交換性ポリマーの代わりにポリアクリル酸などの親水性ポリマーを用いてもよい。
（７）負極集電体１７
負極集電体１７としては、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。また、自己腐食抑制の観点からは、水素過電圧の高い材料、又はステンレス等の金属素材表面に水素過電圧の高い材料によるメッキが施された材料を負極集電体１７として用いることが望ましい。
負極集電体１７としては、多孔性でかつ電子伝導性を有する材料であることが望ましい。また、自己腐食抑制の観点からは、水素過電圧の高い材料、又はステンレス等の金属素材表面に水素過電圧の高い材料によるメッキが施された材料を負極集電体１７として用いることが望ましい。
負極活物質として亜鉛を用いる場合は、銅箔、真鍮、スズメッキ銅箔などを利用することが望ましい。
（８）粘着層１９
粘着層１９としては、公知のアクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤、ゴム系粘着剤などを用いてもよい。
粘着層１９としては、公知のアクリル系粘着剤、シリコーン系粘着剤、ゴム系粘着剤などを用いてもよい。
金属空気電池１を構成する構成部材は、上記した材料により構成される。これらの材料を用いることにより、負極（負極活物質層１６，負極集電体１７）では、例えば、負極活物質層１６の亜鉛と電解液中の水酸化物イオンとが反応することにより、水酸化亜鉛が生成される。これに伴い放出された電子が負極から正極（正極触媒層１４、正極集電体１３）へ供給される。生成された水酸化亜鉛は、酸化亜鉛と水とに分解され、電解液内に水が戻る。一方、正極では、正極触媒層１４に含まれる触媒上において、電解液から供給される水と、大気から供給される酸素ガスと、負極から供給される電子とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ－）を生成する放電反応が起こる。このように、正極において酸素（気相）、水（液相）、電子伝導体（固相）が共存する三相界面で放電反応が進行する。水酸化物イオンは、電解液中をイオン伝導し、負極へ到達する。このようなサイクルを経て、金属空気電池１は、連続的な電力の取り出しを実現する。
１．３ 金属空気電池１の製造方法
金属空気電池１の製造方法の一例について、図４～図９を用いて、説明する。
金属空気電池１の製造方法の一例について、図４～図９を用いて、説明する。
図４は、金属空気電池１の製造工程を示すフローチャートである。
（Ｓ１００）図５（ａ）、（ｂ）に示すように開口部１１ａが開設されたラミネート材１１を準備し、図５（ｃ）、（ｄ）に示すようにラミネート材１１上に開口部１１ａを覆うように撥水膜１２を配し、開口部１１ａの周縁の溶着部３０においてラミネート材１１と撥水膜１２とを熱溶着する。なお、溶着部３０の各辺は、一定の幅を有し、図５（ｃ）の参照符号３０により示す破線は、溶着部３０の各辺の中心線を示している。
なお、図５（ａ）は、製造途中の金属空気電池１を、第２表面側から見た図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ－Ａ’線による断面図である。また、図５（ｃ）は、製造途中の金属空気電池１を第２表面側から見た図であり、図５（ｄ）は、図５（ｃ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１０１）図５（ｅ）、（ｆ）に示すように、撥水膜１２上に正極集電体１３を配する。上述のように、正極集電体１３の一部分が図の上方に延伸して正極リード２０ａを形成している。なお、図５（ｅ）は、製造途中の金属空気電池１を第２表面側から見た図であり、図５（ｆ）は、図５（ｅ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１０２）図６（ａ）、（ｂ）に示すように、上述の正極触媒層１４の材料を含むペーストを、正極集電体１３の上に塗布し、乾燥させることにより正極触媒層１４を形成する。なお、図６（ａ）は、製造途中の金属空気電池１を、第２表面側から見た図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１０３）図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、電解質層として、上述のセパレータ１５の材料からなる不織布を正極触媒層１４の上に配する。なお、図６（ｃ）は、製造途中の金属空気電池１を、第２表面側から見た図であり、図６（ｄ）は、図６（ｃ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１０４）図６（ｅ）、（ｆ）に示すように、電解質層（セパレータ１５）の上に、上述の負極活物質層１６の材料を含むペーストを塗布する。なお、図６（ｅ）は、製造途中の金属空気電池１を、第２表面側から見た図であり、図６（ｆ）は、図６（ｅ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１１０）図７（ａ）、（ｂ）に示すように２つの開口部１８ａが開設されたラミネート材１８を準備し、図７（ｃ）、（ｄ）に示すようにラミネート材１８上に、一方の開口部１８ａを覆うように負極集電体１７を配する。上述のように、負極集電体１７の一部分が図の上方に延伸して負極リード２１ａを形成している。なお、図７（ａ）は、製造途中の金属空気電池１を、第１表面側から見た図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ－Ａ’線による断面図である。また、図７（ｃ）は、製造途中の金属空気電池１を第１表面側から見た図であり、図７（ｄ）は、図７（ｃ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１２０）図８（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｓ１００～Ｓ１０４の工程を経たラミネート材１１と、Ｓ１１０の工程を経たラミネート材１８とを、ラミネート材１１上の負極活物質層１６とラミネート材１８上の負極集電体１７とが対向するようにして貼り合わせる。このとき、正極集電体１３の正極リード２０ａは、第２表面側から見て、負極リード２１ａを含む負極集電体１７とは重ならない位置に形成され、負極集電体１７の負極リード２１ａは、第２表面側から見て、正極リード２０ａを含む正極集電体１３とは重ならない位置に形成されている。そして、ラミネート材１８の二つの開口部１８ａのうち一方は、第２表面側から見て正極リード２０ａと重なる位置に開設されており、他方は、第２表面側から見て負極リード２１ａと重なる位置に開設されている。これにより、ラミネート材１８を第２表面側から見ると、２つの開口部１８ａのうち、一方から正極端子２０が露出し、他方から負極端子２１が露出する。
なお、図８（ａ）は、Ｓ１００～Ｓ１０４の工程を経たラミネート材１１と、Ｓ１１０の工程を経たラミネート材１８とを貼り付けている様子を示した図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の貼付け後のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１２１）図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、ラミネート材１１，１８の下部および両端部の３辺の溶着部３２において、ラミネート材１１とラミネート材１８とを熱溶着する。なお、溶着部３２の各辺は、一定の幅を有し、図８（ｃ）の参照符号３２により示す破線は、溶着部３２の各辺の中心線を示している。なお、図８（ｃ）は、製造途中の金属空気電池１を第２表面側から見た図であり、図８（ｄ）は、図８（ｃ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１２２）図８（ｅ）、（ｆ）に示すように、３辺が熱溶着されて袋状になったラミネート材１１、１８に対して、未溶着の辺から電解液２７を注入する。電解液２７は、電解質層（セパレータ１５）に浸透する。なお、図８（ｅ）は、製造途中の金属空気電池１を第２表面側から見た図であり、図８（ｆ）は、図８（ｅ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１２３）図９（ａ）、（ｂ）に示すように、袋状になり電解液２７が注入されたラミネート材１１、１８の未溶着の１辺の溶着部３３において、正極端子２０や負極端子２１が露出しているラミネート材１８の開口部１８ａから電解液２７が漏洩しないように、ラミネート材１１とラミネート材１８とを熱溶着する。なお、溶着部３３は、例えば、図９（ａ）のハッチングが付された領域である。なお、図９（ａ）は、製造途中の金属空気電池１を、第２表面側から見た図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
（Ｓ１２４）図９（ｃ）、（ｄ）に示すように、ラミネート材１８の第２表面側に、粘着剤を含むペーストを塗布することにより、粘着層１９を形成する。なお、図９（ｃ）は、製造途中の金属空気電池１を、第２表面側から見た図であり、図９（ｄ）は、図９（ｃ）のＡ－Ａ’線による断面図である。
以上の工程により本開示に係る金属空気電池１が製造される。
１．４ まとめ
本開示によれば、金属空気電池１の筐体から正極端子２０および負極端子２１が突出せず、貼付面（ラミネート材１８、粘着層１９）の開口部１８ａから露出する構成をしている。貼付面の開口部１８ａから露出する正極端子２０および負極端子２１と対象物側の端子とを対向させて、貼付け面を対象物に貼り付けるだけで、対象物と電気的に導通させることができる。また、貼付面には、粘着層１９が形成されているのではんだ付けや溶接などをしなくても対象物に取り付けることが容易である。また、貼付面と反対側の表面（ラミネート材１１）からは、正極端子２０および負極端子２１が露出しないため、取り付け後に誤って導体が触れて短絡する虞がない。
本開示によれば、金属空気電池１の筐体から正極端子２０および負極端子２１が突出せず、貼付面（ラミネート材１８、粘着層１９）の開口部１８ａから露出する構成をしている。貼付面の開口部１８ａから露出する正極端子２０および負極端子２１と対象物側の端子とを対向させて、貼付け面を対象物に貼り付けるだけで、対象物と電気的に導通させることができる。また、貼付面には、粘着層１９が形成されているのではんだ付けや溶接などをしなくても対象物に取り付けることが容易である。また、貼付面と反対側の表面（ラミネート材１１）からは、正極端子２０および負極端子２１が露出しないため、取り付け後に誤って導体が触れて短絡する虞がない。
２ 実施形態２
実施形態２に係る金属空気電池２について、図面を参照して説明する。実施形態１に係る金属空気電池１と同様の構成部材は同じ参照符号を用いる。
実施形態２に係る金属空気電池２について、図面を参照して説明する。実施形態１に係る金属空気電池１と同様の構成部材は同じ参照符号を用いる。
２．１ 金属空気電池２の構成
図１０は、金属空気電池２の構成を示す図である。図１０（ａ）は、図１０（ｄ）におけるＡ－Ａ’線による断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ｄ）におけるＢ－Ｂ’線による断面図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｄ）におけるＣ－Ｃ’線による断面図であり、図１０（ｄ）は、金属空気電池２の第２表面の正面図である。
図１０は、金属空気電池２の構成を示す図である。図１０（ａ）は、図１０（ｄ）におけるＡ－Ａ’線による断面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ｄ）におけるＢ－Ｂ’線による断面図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ｄ）におけるＣ－Ｃ’線による断面図であり、図１０（ｄ）は、金属空気電池２の第２表面の正面図である。
金属空気電池２の内部構造は、実施形態１に係る金属空気電池１と同様であり説明を省略する。金属空気電池２の第１表面は、実施形態１の金属空気電池１の第１表面に、さらに、粘着層２３と保護層２２とが積層された構造をしている。金属空気電池の第２表面は、実施形態１の金属空気電池１の第２表面において、２つの開口部１８ａから露出する正極端子２０および負極端子２１上に導電性接着層２５、２６が形成され、さらに、粘着層１９および導電性接着層２５、２６の表面に保護層２４が積層された構造をしている。
２．２ 金属空気電池２の材料
（１）保護層２２、２４
保護層２２は、金属空気電池２の内部の放電反応の進行を抑制するために用いられ、通気性の低い材料が用いられる。保護層２２に求められる通気性は、ＪＩＳ Ｋ７１２６－２「プラスチック―フィルム及びシート―ガス透過度試験方法」に基づく酸素透過度が１ｍｌ／ｍ２／ｄａｙ／ａｔｍ以下である。
（１）保護層２２、２４
保護層２２は、金属空気電池２の内部の放電反応の進行を抑制するために用いられ、通気性の低い材料が用いられる。保護層２２に求められる通気性は、ＪＩＳ Ｋ７１２６－２「プラスチック―フィルム及びシート―ガス透過度試験方法」に基づく酸素透過度が１ｍｌ／ｍ２／ｄａｙ／ａｔｍ以下である。
保護層２４は、粘着層１９が不用意に外部に粘着しないために用いられ、粘着性の低い材料が用いられる。
保護層２２、２４は、例えば、ポリエチレンテレフタラートあるいは紙の表面にポリエチレン、変性ポリビニルアルコールなどを樹脂被膜したものを用いることができる。隣接する粘着層１９，２３との剥離性を高めるために、シリコーン系あるいは非シリコーン系の剥離剤を樹脂被膜の上に形成してもよい。
（２）粘着層２３
粘着層２３は、粘着層１９と同材料を用いることができる。
粘着層２３は、粘着層１９と同材料を用いることができる。
（３）導電性接着層２５、２６
導電性接着層２５、２６は、例えば、カーボン粉などの導電フィラーを含んだアクリル系粘着剤などを用いることができる。
導電性接着層２５、２６は、例えば、カーボン粉などの導電フィラーを含んだアクリル系粘着剤などを用いることができる。
２．３ 金属空気電池２の製造方法
金属空気電池２の製造方法について説明する。
金属空気電池２の製造方法について説明する。
図１１は、金属空気電池２の製造工程を示すフローチャートである。
（Ｓ２００）実施形態２に係る金属空気電池２を準備し、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示すように、金属空気電池２の第２表面（粘着層１９、ラミネート材１８）の２つの開口部のそれぞれに上述の導電性接着層２５、２６の材料を含む導電性接着剤を塗布し、導電性接着層２５、２６を形成する。
（Ｓ２０１）導電性接着層２５、２６が形成された金属空気電池２の第２表面（粘着層１９、導電性接着層２５、２６）の上に、上述の保護層２４の材料により構成される保護フィルムを配することにより、保護層２４を形成する。
（Ｓ２０２）金属空気電池２の第１表面の撥水膜１２が露出する開口部１１ａを除く部分に、粘着剤を含むペーストを塗布することにより、粘着層２３を形成する。
（Ｓ２０３）
粘着層２３が形成された金属空気電池２の第１表面に上述の保護層２２の材料により構成される保護フィルムを配することにより、保護層２２を形成する。
粘着層２３が形成された金属空気電池２の第１表面に上述の保護層２２の材料により構成される保護フィルムを配することにより、保護層２２を形成する。
以上の工程により、金属空気電池２が製造される。
２．４ まとめ
実施形態２に係る金属空気電池２は、第１表面に保護層２２が剥離自在に形成されていることを特徴とする。これにより、金属空気電池２が製造されてから保護層２２が剥がされるまでの間、正極（正極集電体１３および正極触媒層１４）が大気に露出しないため、金属空気電池２の放電反応の進行を抑制することができる。
実施形態２に係る金属空気電池２は、第１表面に保護層２２が剥離自在に形成されていることを特徴とする。これにより、金属空気電池２が製造されてから保護層２２が剥がされるまでの間、正極（正極集電体１３および正極触媒層１４）が大気に露出しないため、金属空気電池２の放電反応の進行を抑制することができる。
実施形態２に係る金属空気電池２は、第２表面に保護層２４が剥離自在に形成されていることを特徴とする。これにより、金属空気電池２が製造されてから保護層２４が剥がされるまでの間、金属空気電池２が外部の物に不用意に張り付くことを抑制でき、作業性に優れ、取り扱いが容易になる。
実施形態２に係る金属空気電池２は、第２表面の正極端子２０が露出する開口部内に導電性接着層２５が、負極端子２１が露出する開口部内に導電性接着層２６がそれぞれ形成されている。これにより、金属空気電池２の正極端子２０および負極端子２１と対象物側の端子との電気的接点をつくることが容易になる。
３ 実施形態３
実施形態３に係る金属空気電池３について、図面を参照して説明する。実施形態１に係る金属空気電池１と同様の構成部材は同じ参照符号を用いる。
実施形態３に係る金属空気電池３について、図面を参照して説明する。実施形態１に係る金属空気電池１と同様の構成部材は同じ参照符号を用いる。
３．１ 金属空気電池３の構成
図１２（ａ）は、図１２（ｄ）におけるＡ－Ａ’線による断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ｄ）におけるＢ－Ｂ’線による断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ｄ）におけるＣ－Ｃ’線による断面図であり、図１２（ｄ）は、金属空気電池３の第２表面の正面図である。
図１２（ａ）は、図１２（ｄ）におけるＡ－Ａ’線による断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ｄ）におけるＢ－Ｂ’線による断面図であり、図１２（ｃ）は、図１２（ｄ）におけるＣ－Ｃ’線による断面図であり、図１２（ｄ）は、金属空気電池３の第２表面の正面図である。
金属空気電池３の内部構造は、実施形態１の金属空気電池１の内部構造とはセパレータ１５の配置が異なる。実施形態３の金属空気電池３の内部構造は、図１２（ａ）～図１２（ｃ）に示すように、セパレータ１５が、負極活物質層１６および負極集電体１７の周縁部を覆い、ラミネート材１８に接して積層されている。また、図１２（ｂ）に示すように、セパレータ１５は、負極リード２１ａの一部を覆う。
セパレータ１５が、負極リード２１ａの一部を残し、負極活物質層１６および負極集電体１７の周縁部を覆うことで、各周縁部が露出している状態と比較して、負極および正極間での短絡を抑制できる。
４ 実施形態４
実施形態４に係る金属空気電池４について、図面を参照して説明する。実施形態１～３に係る金属空気電池１～３と同様の構成部材は同じ参照符号を用いる。
実施形態４に係る金属空気電池４について、図面を参照して説明する。実施形態１～３に係る金属空気電池１～３と同様の構成部材は同じ参照符号を用いる。
４．１ 金属空気電池４の構成
実施形態４に係る金属空気電池４は、正極集電体１３と負極集電体１７との間において、正極リード２０ａおよび負極リード２１ａの一部と重畳するように積層された絶縁テープ３０をさらに備える。図１３は、金属空気電池４から正極集電体１３、負極集電体１７および絶縁テープ３０のみを抜き出して、正極集電体１３側から見た平面図である。図１４は、金属空気電池４における絶縁テープ３０の長手方向に沿った断面図である。
実施形態４に係る金属空気電池４は、正極集電体１３と負極集電体１７との間において、正極リード２０ａおよび負極リード２１ａの一部と重畳するように積層された絶縁テープ３０をさらに備える。図１３は、金属空気電池４から正極集電体１３、負極集電体１７および絶縁テープ３０のみを抜き出して、正極集電体１３側から見た平面図である。図１４は、金属空気電池４における絶縁テープ３０の長手方向に沿った断面図である。
図１３に示すように、絶縁テープ３０は、負極リード２１ａおよび正極リード２０ａの一部と重畳し、かつ、負極リード２１ａと正極リード２０ａとの間にも絶縁テープ３０が存在するように連続的に配置される。但し、絶縁テープ３０の配置領域は、ラミネート材１８における第１および第２開口１８ａとは重畳しない。このような配置となる絶縁テープ３０を備えた金属空気電池４では、図１４に示すように、ラミネート材１８と正極リード２０ａとの間、およびラミネート材１１と負極リード２１ａの間にそれぞれ絶縁テープ３０が存在する。
金属空気電池４の製造方法としては、図７（ｃ）、（ｄ）に示す状態のラミネート材１８において、負極集電体１７上の所定の位置に絶縁テープ３０を積層させる。そして、絶縁テープ３０を積層されたラミネート材１８を、図６（ｅ）、（ｆ）に示す状態のラミネート材１１に貼り合わせることで金属空気電池４が製造される。尚、絶縁テープ３０が最初に積層されるのは、図６（ｅ）、（ｆ）に示す状態のラミネート材１１であってもよい。
このように、絶縁テープ３０が、ラミネート材１８と正極リード２０ａとの間、ラミネート材１１と負極リード２１ａとの間、および正極リード２０ａと負極リード２１ａとの間に存在することで、負極リード２１ａと正極リード２０ａとの間で絶縁性が保たれ、この間の短絡が抑制される。
絶縁テープ３０は、使用される電解液に対して化学的に安定な材料であり、かつ、ラミネート材１１、１８と溶着可能な材料から選択されることが好ましい。アルカリ系の電解液に対して、絶縁テープ３０は、オレフィン系樹脂やブチルゴムなどが用いられる。
５ 実施形態５
実施形態１～４に係る金属空気電池１～４において、第１表面に文字や図形などがプリントされていてもよい。これにより、金属空気電池１～４は、単に電力を供給する機能に加えて、文字や記号による情報伝達を行う機能を備えることができる。
実施形態１～４に係る金属空気電池１～４において、第１表面に文字や図形などがプリントされていてもよい。これにより、金属空気電池１～４は、単に電力を供給する機能に加えて、文字や記号による情報伝達を行う機能を備えることができる。
例えば、図１５（ａ）に示すように、金属空気電池１の第１表面にバーコード４１がプリントされていてもよい。例えば、金属空気電池１の固有番号を示すバーコードをプリントすることで製造した金属空気電池１の管理が容易になる。また、金属空気電池１が電力を供給する対象物の固有番号を示すバーコードをプリントすることで対象物の管理が容易になる。
また、図１５（ｂ）に示すように、金属空気電池１の第１表面に２次元コード４２がプリントされていてもよい。２次元コードをプリントすることで、例えば、ＵＲＬ（Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｒｅｓｏｕｒｃｅ Ｌｏｃａｔｏｒ）情報を付与することができる。これにより、小面積の金属空気電池１を対象物に貼り付けるだけで、ＵＲＬを通じて情報量の多い対象物の広告情報などを伝達することが可能になる。
また、図１５（ｃ）に示すように、金属空気電池１の第１表面に伝票４３がプリントされていてもよく、図１５（ｄ）に示すように、金属空気電池１の第１表面に飛行機の搭乗券などのチケット４４がプリントされていてもよい。これにより、金属空気電池１は、対象物への電力供給だけでなく、チケットや伝票などの機能を備えることができる。
なお、図１５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）では、金属空気電池１の第１表面に露出している撥水膜１２にバーコード、２次元コード、伝票、チケットがプリントされている例を示しているが、ラミネート材１１にバーコード、２次元コード、伝票、チケット等がプリントされていてもよい。
また、ラミネート材１１や撥水膜１２にバーコード、２次元コード、伝票、チケット等がプリントされたシール等を貼り付ける構成としてもよい。
６ 実施形態６
ここでは、実施形態１に係る金属空気電池１の想定される利用形態について説明する。
ここでは、実施形態１に係る金属空気電池１の想定される利用形態について説明する。
例えば、配送業者が配送する荷物の状態を管理するために、荷物に温度センサや湿度センサなどのセンサが内蔵されたタグを貼り付けて配送を行うことが考えられる。このような場合に、図１６（ａ）に示すように、荷物５０に付されたタグ５１に金属空気電池１を貼り付け、タグ５１に内蔵されている電源ケーブル５３を介してセンサ５２に電力を供給させるといった利用法が考えられる。
また、近年、脈拍や血圧などを測定するセンサを衣服に内蔵することにより、衣服を着用したまま脈拍や血圧などを測定することが可能なウェアラブルバイタルサインセンサなどが開発されている。このような場合に、図１６（ｂ）に示すように、センサ５６が内蔵されている衣服５５に金属空気電池１を貼り付け、衣服５５に内蔵されている電源ケーブル５７を介してセンサ５６に電力を供給させるといった利用法が考えられる。
〔援用の記載〕
本国際出願は、２０１８年４月１８日に日本特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８－０７９７２２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８－０７９７２２号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
本国際出願は、２０１８年４月１８日に日本特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８－０７９７２２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８－０７９７２２号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
Claims (20)
- 筐体と、前記筐体に収容された正極と負極とを備える金属空気電池であって、
前記筐体は、通気性を有する第１表面と前記第１表面とは異なる第２表面とを備え、
前記正極と電気的に接続された正極端子と、前記負極と電気的に接続された負極端子とが、前記第２表面からみて重ならない位置に形成され、前記第２表面の少なくとも一部には、粘着剤を含む粘着層が形成されている金属空気電池。 - 前記正極端子は、前記筐体内に形成され、
前記第２表面には、前記正極端子に相当する位置に第１開口部が開設され、
前記粘着層は、前記第１開口部を除く、第２表面の少なくとも一部に形成されている請求項１に記載の金属空気電池。 - 前記第１開口部の内部に導電性接着層が形成されている請求項２に記載の金属空気電池。
- 前記負極端子は、前記筐体内に形成され、
前記第２表面には、前記負極端子に相当する位置に第２開口部が開設され、
前記粘着層は、前記第２開口部を除く、第２表面の少なくとも一部に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記第２開口部の内部に導電性接着層が形成されている請求項４に記載の金属空気電池。
- 前記正極は、前記筐体の中で、前記第１表面側に配置され、
前記負極は、前記筐体の中で、前記第２表面側に配置され、
さらに前記正極と前記負極の間に、電解質を含む電解質層とを備えた請求項１から５のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記正極は、
前記電解質層に積層され、酸素還元能を有する触媒を含む正極触媒層と、
前記正極触媒層に積層された正極集電体と、を有し、
前記正極集電体は、前記正極集電体の一部分が延伸されて、前記正極端子となる正極リード、を含む請求項６に記載の金属空気電池。 - 前記筐体は、前記第１表面を含む第１樹脂シートと、前記第２表面を含み前記第１樹脂シートと貼り合わされた第２樹脂シートとを含む請求項１から７のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記負極は、
前記第２樹脂シートに積層された負極集電体と、
前記負極集電体に積層され、負極活物質を含む負極活物質層と、を有し、
前記負極集電体は、前記負極集電体の一部分が延伸されて、前記負極端子となる負極リード、を含む請求項８に記載の金属空気電池。 - 前記正極は、前記筐体の中で、前記第１表面側に配置され、
前記負極は、前記筐体の中で、前記第２表面側に配置され、
さらに前記正極と前記負極の間に、電解質を含む電解質層とを備え、
前記電解質層は、前記負極活物質の周縁部を覆う請求項９に記載の金属空気電池。 - 前記正極は、前記筐体の中で、前記第１表面側に配置され、
前記負極は、前記筐体の中で、前記第２表面側に配置され、
さらに前記正極と前記負極の間に、電解質を含む電解質層とを備え、
前記正極は、
前記電解質層に積層され、酸素還元能を有する触媒を含む正極触媒層と、
前記正極触媒層に積層された正極集電体と、を有し、
前記正極集電体は、前記正極集電体の一部分が延伸されて、前記正極端子となる正極リード、を含み、
前記第１樹脂シートは第３開口部を有し、
前記正極は、前記正極集電体に積層され、前記第３開口部を内側から封止した撥水膜を備える請求項８から１０のいずれか一項に記載の金属空気電池。 - 前記正極の一部分が延伸されて、前記正極端子となる正極リードと、
前記負極の一部分が延伸されて、前記負極端子となる負極リードと、
前記第１樹脂シートと前記負極リードとの間、前記第２樹脂シートと前記正極リードとの間、および前記正極リードと前記負極リードとの間に配された絶縁テープと、をさらに備えた請求項８に記載の金属空気電池。 - 前記第１表面の表面に、通気性を有さない保護層が剥離自在に形成されている請求項１から１２のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記第２表面の表面に形成された粘着層の表面に、粘着性を有しない保護層が剥離自在に形成されている請求項１から１３のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記第１表面の少なくとも一部は、多孔質の絶縁材料で形成されている請求項１から１４のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記第１表面には、文字又は図形が表示されている請求項１から１５のいずれか一項に記載の金属空気電池。
- 前記図形はバーコードまたは２次元コードである請求項１６に記載の金属空気電池。
- 請求項１から１７のいずれか一項に記載の金属空気電池を備える情報表示プレート。
- 金属空気電池の製造方法であって、
通気性を有する第１樹脂シート上に正極端子部を有する正極層を積層する第１工程と、
前記第１樹脂シートとは異なる第２樹脂シート上に負極端子部を有する負極層を積層する第２工程と、
前記第１樹脂シートの前記正極層と前記第２樹脂シートの前記負極層とを、電解質層を介して対向させて前記第１樹脂シートと前記第２樹脂シートとを張り合わせる第３工程と、
前記第２樹脂シートの前記負極層が積層されていない側の表面に粘着層を積層する第４工程とを含み、
前記正極端子部と前記負極端子部とは、前記第２樹脂シート側から見て重ならない位置形成されていることを特徴とする金属空気電池の製造方法。 - 前記第２樹脂シートには、前記正極端子部に相当する位置に第１開口部が開設され、前記負極端子部に相当する位置に第２開口部が開設されていることを特徴とする請求項１９に記載の金属空気電池の製造方法。
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