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JP7330971B2 - 電池ロールおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、使用の自由度が高いシート状電池を高い生産性で供し得る電池ロールとその製造方法に関するものである。
近年、樹脂製フィルムを構成材として含むシート状外装体を有するシート状電池の需要が伸びている。こうした電池の用途は、産業用装置の電源などの、大型の電池が適用される用途から、スマートフォンなどの電子機器用の電源などの、小型の電池が適用される用途まで、多岐にわたっている。
このようなシート状電池の外装体には、アルミニウムなどの金属で構成された箔と、熱可塑性樹脂とをラミネートしたラミネートフィルムが一般に用いられており、特許文献１には、電池の形状に自由度を持たせた、放電特性に優れた空気電池を構成可能であることが開示されている。
また、特許文献２および３には、前記シート状の電池を作製するにあたり、樹脂フィルムなどのシート状基材（外装体）の表面に、カーボン塗料などを塗布して集電層とし、更に前記集電層の表面に活物質を分散させた塗料を塗布することにより、正極および負極がそれぞれ外装体と一体化された電池部材を、印刷工程を用いて形成することが記載されている。
更に、特許文献４では、４枚以上の電極がセパレータを介して交互に積層されて構成される電気化学デバイスをロール・トゥ・ロール法で製造する場合に、位置ずれを生じ難くするため、幅方向の端部に電極の突出片を設け、それぞれのデバイスの前記突出片同士を連結帯により固定することが提案されている。組み立てられた電気化学デバイスは、個々のデバイスに分離されて組み立てが完成する。
特開２００４－２８８５７１号公報 特開２０１２－２０９０４８号公報 特表２００５－５２７０９３号公報 特開２００９－３２７２７号公報
ところで、シート状電池は、一般に流通している乾電池などのように、特性（電圧、容量など）が共通仕様化されておらず、ユーザーごとの要求が異なる場合が多いため、こうした要請には多種類の電池を生産することで対応する必要があり、これがシート状電池の生産性を損なう一因となっている。他方、製造するシート状電池の特性を特定のものに限定した場合には、その生産性は向上するが、ユーザーサイドで使用機器の仕様に制約が生じるため、利便性が損なわれてしまう。
本願は、前記事情に鑑みてなされたものであり、使用の自由度が高いシート状電池を高い生産性で供し得る電池ロールとその製造方法を提供する。
本願で開示する電池ロールは、長尺のシート状外装体と、複数の発電要素とを含むシート状連続体からなり、前記シート状外装体は、樹脂製フィルムを含み、前記発電要素は、前記シート状外装体内に個別に封止され、前記発電要素は、前記シート状外装体の長手方向に並んで配置され、前記発電要素は、正極、負極、セパレータおよび電解質を含み、前記シート状外装体と、前記発電要素とは、個々の電池を構成し、前記シート状連続体は、渦巻状に巻回されている。
本願で開示する電池ロールは、例えば、厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下の亜鉛合金箔などの金属箔を供給し、リードを有する所定の形状に切断して前記負極を形成する工程と、前記シート状外装体内に、前記正極、前記セパレータおよび前記負極を順次積層した積層体と、前記電解質とを含む発電要素を順次封入して、前記シート状連続体を形成する工程と、前記シート状連続体を渦巻状に巻回して電池ロールとする工程とを含む製造方法によって製造することができる。
本願によれば、使用の自由度が高いシート状電池を高い生産性で供し得る電池ロールとその製造方法を提供することができる。
図１は、実施形態の電池ロールを構成する電池のシート状連続体の一例を模式的に表す平面図である。 図２は、図１のＩ－Ｉ線断面図である。 図３は、実施形態の電池ロールの一例を模式的に表す斜視図である。
本願で開示する電池ロールの実施形態を説明する。本実施形態の電池ロールは、長尺のシート状外装体と、複数の発電要素とを含むシート状連続体からなり、前記シート状外装体は、樹脂製フィルムを含み、前記発電要素は、前記シート状外装体内に個別に封止され、前記発電要素は、前記シート状外装体の長手方向に並んで配置され、前記発電要素は、正極、負極、セパレータおよび電解質を含み、前記シート状外装体と、前記発電要素とは、個々の電池を構成し、前記シート状連続体は、渦巻状に巻回されている。
以下、本実施形態の電池ロールを図面に基づき説明する。
本実施形態の電池ロールを構成する電池のシート状連続体の一例を模式的に表す図面を図１および図２に示す。図１は電池のシート状連続体の平面図であり、図２は図１のＩ－Ｉ線断面図であり、前記電池のシート状連続体から切り取って得られる個々の電池（シート状電池）の断面図にも該当する。
電池のシート状連続体１００ａは、空気電池を複数個有するものの例である。図１においては、電池のシート状連続体１００ａを構成する各空気電池１同士の間を、二点鎖線によって示している。
電池のシート状連続体１００ａにおいて、各空気電池１は、樹脂製フィルムで構成された長尺のシート状外装体６０を共有して、電池のシート状連続体１００ａの長手方向に一列に並んで配置されている。そして、各空気電池１は、シート状外装体６０の、発電要素が配置された箇所の外周部分を熱融着などによって封止することで、隣接する空気電池との間が仕切られている。複数の発電要素は、シート状外装体６０内に個別に封止され、シート状外装体６０と各発電要素とは、個々の電池を構成している。
各空気電池１においては、図２に示すように、シート状外装体６０内に、発電要素を構成する正極２０、負極３０、セパレータ４０および電解質（図示しない）が収容されている。正極２０は、空気電池１内でリード体を介するなどして正極外部端子２０ａと接続しており、また、図示していないが、負極３０も、空気電池１内でリード体を介するなどして負極外部端子３０ａと接続している。
空気電池の正極には、後述するように例えば触媒層と集電体とを有する構造のものが使用されるが、図２では図面が煩雑になることを避けるために、正極２０の有する各層を区別して示していない。なお、図１における点線は、シート状外装体６０内に収容された正極２０に係る触媒層の大きさを表している。
シート状外装体６０は、正極２０が配置された側に、正極に空気を取り込むための空気孔６１が複数設けられており、その内側には、空気孔６１からの電解質の漏出を防止するための撥水膜５０が配置されている。
そして、図１に示すような電池のシート状連続体１００ａが渦巻状に巻回されて、電池ロールが形成される。図３に、本実施形態の電池ロールを模式的に表す斜視図を示している。図３では、図面が煩雑になることを避けるために、電池ロール１００を構成する各電池のうち、ほぼ最外周に位置するもの以外については、それらが有する正極外部端子２０ａおよび負極外部端子３０ａを図示していない。
本実施形態の電池ロールに係る電池のシート状連続体は、それを構成する個々の電池が、長尺のシート状外装体を共有しており、各電池は、電池ロールから電池のシート状連続体を引き出して、各電池の間（図１に示す電池のシート状連続体の場合、縦の二点鎖線Ａ、Ｂ、Ｃ付近の箇所）で切り離して使用することができる。
なお、電池の用途によっては、個々の電池では電圧や容量が不十分であることもあり得るが、その場合には、電池ロールから引き出した電池のシート状連続体を切断して電池を得るに際し、必要な電圧や容量を満たし得る個数分の電池が連続した１つのユニットとなるようにシート状外装体を切断すればよい。例えば、電池のシート状連続体を構成する個々の電池の２つ分の電圧や容量が必要な場合には、図１中のＢの箇所でシート状外装体６０を切断して、図中右側の２個の電池１が一つのシート状外装体内に収容されたユニットとすることができる。また、電池のシート状連続体を構成する個々の電池の３つ分の電圧や容量が必要な場合には、図１中のＣの箇所でシート状外装体６０を切断して、図中右側の３つの電池１が一つのシート状外装体内に収容されたユニットとすることができる。
各電池の間（図１に示す電池のシート状連続体の場合、縦の二点鎖線Ａ、Ｂ、Ｃ付近の箇所）には、切断を容易にするために、ミシン目を形成したり、端部に切り込みを設けたりするなど、切断を容易化する加工を施すこともでき、個々の電池が切り離し容易に形成されていてもよい。得られたユニットは、必要な配線を電池に直接施したり、適用機器に必要な配線を組み込んでおいたりして、電池同士を電気的に接続することで、組電池として使用できる。
このように、本実施形態の電池ロールであれば、ユーザーが必要とする電圧や容量の電池（単電池または組電池）を容易に得ることができ、また、組電池にする際に各単電池をパッキングする外装体を別途使用する必要もない。よって、本実施形態の電池ロールであれば、使用の自由度が高いシート状電池を高い生産性で提供することができる。
また、本実施形態においては、電池のシート状連続体がロール状に巻回された電池ロールであるため、いわゆるロール・トゥ・ロール法によって効率的に生産することができる。具体的には、例えば、シート状外装体を構成する樹脂製フィルムのロールを２本使用し、一方のロールから引き出した樹脂製フィルム上に正極、セパレータ、負極などを順次積層し、これらの上に他方のロールから引き出した樹脂製フィルムを重ねた上で、これら２枚の樹脂製フィルムにおける正極、セパレータおよび負極を含む積層体の外周を、一部を残して熱融着し、残した開口部分から電解質を注入した後に熱融着して個々の電池を封止して電池のシート状連続体とし、これを渦巻状に巻き取って電池ロールを得る、といった連続的な製造を採ることができる。また、本実施形態においては、個々の電池に分離した後に、それぞれの電池にパッケージを施す必要もなくなる。よって、本実施形態の電池ロールは生産性が高く、この理由からも、電池ロールから得られるシート状電池の生産性も高めることができる。
ところで、空気電池の場合には、外部の空気を正極に取り込んで発電するため、外装体に空気孔を設けるが、空気電池の使用前に正極内に空気が侵入すると自己放電してしまう。よって、外装缶を使用した通常の空気電池では、外装缶の空気孔を設けた箇所にシールを貼り付けて空気孔を塞ぎ、貯蔵段階での正極への空気の侵入を防止することが一般に行われている。そして、このような電池では前記シールを剥がしてから使用する。ところが、シート状外装体を用いた空気電池では、シート状外装体の強度が小さいため、前記シールが良好に剥がれずにシート状外装体が破損してしまう虞がある。
しかしながら、本実施形態の電池ロールでは、電池のシート状連続体を構成するそれぞれの空気電池が巻回されることにより、個々の空気電池の空気孔が、隣接する空気電池のシート状外装体により塞がれることになり、ある程度空気の流入を遮断することが可能となる。そのため、前記のようなシールを使用しなくても、空気電池の貯蔵性を高めることができるので、前記シールの剥離の際のシート状外装体の破損を防止することができる。また、シールを剥離する手間も省くことができる。
なお、個々の空気電池の空気孔が内側（巻回中心側）に向くようにシート状連続体を巻回すれば、電池ロールの最外周に位置する空気電池の空気孔も塞ぐことができるので好ましい。
なお、電池ロールを構成する電池のシート状連続体は、シート状外装体を有する電池の集合体であり、その厚みを小さくすることが可能であるものの、発電要素が収容されている箇所はシート状外装体のみの箇所に比べて厚くなる。よって、電池のシート状連続体が非常に長い場合には、その厚み斑のために空気孔を良好に塞ぎ得ない箇所が生じる虞がある。よって、このような虞がある場合には、電池のシート状連続体の空気孔を設けた面側に、樹脂製シートを重ねた状態で巻回して電池ロールとすることが好ましい。この場合には、前記樹脂製シートの作用によって空気孔を良好に塞ぐことができるため、電池のシート状連続体が非常に長い場合でも、電池の貯蔵性を高めることができる。
電池のシート状連続体と重ねて巻回する樹脂製シートとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィンやナイロンで構成されたフィルムが好ましいものとして挙げられる。また、前記樹脂製シートにおける酸素や水蒸気の透過性を低減し、電池の貯蔵性をより向上させるため、エチレン－ビニルアルコール共重合体などの気体透過性の低い樹脂で構成されたシートや、金属層を備えた樹脂製シートを用いることも好ましい。金属層を備えた樹脂製シートとしては、アルミニウム蒸着層を有するアルミラミネートフィルムなどを用いることができる。前記樹脂製シートの厚みは１０～２００μｍであることが好ましい。
なお、前記樹脂製シートは、隣接する空気電池のシート状外装体により押圧されるため、シート状外装体に接着させるための粘着層を設けなくても、空気孔の表面にある程度密着させることができ、前述のシールを用いた際のシート状外装体の破損の問題を防ぐこともできる。
電池ロールを構成する電池のシート状連続体の長さについては特に制限はないが、ロールの状態で出荷可能である点で、そのメリットを考慮すると、１０ｍ以上であることが好ましく、また、電池ロールが大きくなりすぎて取扱い性が低下することを抑制する観点からは、１０００ｍ以下であることが好ましい。
また、電池ロールにおいては、最内周側の径を小さくしすぎると、電池のシート状連続体を巻回し難くなったり、特に巻回中心に近い箇所に位置する電池が破損しやすくなったりする。よって、電池ロールにおいては、電池のシート状連続体を巻回する際の容易さや、電池のシート状連続体を構成する個々の電池の信頼性を維持する観点からは、巻回軸（巻き芯）の直径（巻回される電池のシート状連続体の最内周部分の直径）が７０ｍｍ以上であることが好ましい。
本実施形態の電池ロールに係る電池は、電解質に水を溶媒とする水溶液からなる電解液を有する電池〔アルカリ電池（アルカリ一次電池、アルカリ二次電池）、マンガン電池、空気電池など〕の態様を取ることができ、また、電解質に非水溶媒を用いた非水電解質を有する電池〔非水電解質電池（非水電解質一次電池、非水電解質二次電池）〕の態様を取ることもできる。
以下、本実施形態の電池ロールに係る電池について、空気電池を例示して発電要素を説明する。
＜正極＞
空気電池の正極（空気極）には、触媒層を有するもの、例えば、触媒層と集電体とを積層した構造のものを使用することができる。
触媒層には、触媒やバインダなどを含有させることができる。
触媒層に係る触媒としては、例えば、銀、白金族金属またはその合金、遷移金属、Ｐｔ／ＩｒＯ2などの白金／金属酸化物、Ｌａ1-xＣａxＣｏＯ3などのペロブスカイト酸化物、ＷＣなどの炭化物、Ｍｎ4Ｎなどの窒化物、二酸化マンガンなどのマンガン酸化物、カーボン〔黒鉛、カーボンブラック（アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなど）、木炭、活性炭など〕などが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上が使用される。
なお、触媒層は、重金属の含有量が、１質量％以下であることが好ましい。本実施形態のシート状電池は、廃棄時に手などで引き裂いて容易に破壊することができるが、重金属の含有量が前記のように少ない触媒層を有する正極の場合、特別な処理などを経ずに廃棄しても環境負荷が小さい電池とすることができる。
本明細書でいう触媒層中の重金属の含有量は、蛍光Ｘ線分析により測定することができる。例えば、リガク社製の蛍光Ｘ線分析装置「ＺＳＸ１００ｅ」を用い、励起源：Ｒｈ５０ｋＶ、分析面積：φ１０ｍｍの条件で測定することができる。
よって、触媒層に係る触媒には、重金属を含有していないものが推奨され、前記の各種カーボンを使用することがより好ましい。
また、正極の反応性をより高める観点からは、触媒として使用するカーボンの比表面積は、２００ｍ2／ｇ以上であることが好ましく、３００ｍ2／ｇ以上であることがより好ましく、５００ｍ2／ｇ以上であることが更に好ましい。本明細書でいうカーボンの比表面積は、ＪＩＳ Ｋ ６２１７に準じた、ＢＥＴ法によって求められる値であり、例えば、窒素吸着法による比表面積測定装置（Ｍｏｕｎｔｅｃｈ社製「Ｍａｃｓｏｒｂ ＨＭ ｍｏｄｅｌｅ－１２０１」）を用いて測定することができる。なお、カーボンの比表面積の上限値は、通常、２０００ｍ2／ｇ程度である。
触媒層における触媒の含有量は、２０～７０質量％であることが好ましい。
触媒層に係るバインダとしては、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、フッ化ビニリデンの共重合体やテトラフルオロエチレンの共重合体〔フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）、フッ化ビニリデン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＴＦＥ）、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ－ＴＦＥ）など〕などのフッ素樹脂バインダなどが挙げられる。これらの中でも、テトラフルオロエチレンの重合体（ＰＴＦＥ）または共重合体が好ましく、ＰＴＦＥがより好ましい。触媒層におけるバインダの含有量は、３～５０質量％であることが好ましい。
触媒層を有する正極の場合、例えば、前記触媒、バインダなどを水と混合してロールで圧延し、集電体と密着させることにより製造することができる。また、前記の触媒や必要に応じて使用するバインダなどを、水や有機溶媒に分散させて調製した触媒層形成用組成物（スラリー、ペーストなど）を、集電体の表面に塗布し乾燥した後に、必要に応じてカレンダ処理などのプレス処理を施す工程を経て製造することもできる。
また、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの、繊維状カーボンで構成された多孔性のカーボンシートを触媒層とすることも可能である。前記カーボンシートは、後述する正極の集電体として用いることもでき、両者を兼ねることもできる。
触媒層を有する正極に係る集電体には、例えば、チタン、ニッケル、ステンレス鋼、銅などの金属の網、箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル；カーボンの網、シート；などを用いることができる。正極に係る集電体の厚みは、５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、また、３０μｍ以下であることがより好ましい。
また、正極の集電体には、シート状外装体に用いる樹脂製フィルムの一部を利用することもできる。この場合、例えば、樹脂製フィルムの、シート状外装体の内面となることが予定される面にカーボンペーストを塗布して集電体としたり、金属層を有する樹脂製フィルムの前記金属層を集電体としたりし、この表面に前記と同様の方法で触媒層を形成することで、正極とすることができる。前記のカーボンペースト層の厚みは、３０～３００μｍであることが好ましい。
正極は、通常、正極外部端子を有している。正極外部端子は、アルミニウムの箔（板）や線、ニッケルの箔（板）や線などを、正極の集電体とリード体を介して接続したり、正極の集電体に直接接続したりするなどして形成することができる。正極外部端子が箔（板）である場合の厚みは、５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、正極外部端子が線である場合の直径は、１００μｍ以上１５００μｍ以下であることが好ましい。
また、前記集電体の一部を外部に露出させることにより、正極外部端子としてもよい。
＜負極＞
空気電池の負極には、亜鉛系材料（亜鉛材料と亜鉛合金材料とを纏めてこのように称する）やマグネシウム系材料（マグネシウム材料とマグネシウム合金材料とを纏めてこのように称する）、アルミニウム系材料（アルミニウム材料とアルミニウム合金材料とを纏めてこのように称する）などの金属材料を含有するものが使用される。このような負極では、亜鉛やマグネシウムやアルミニウムといった金属が、活物質として作用する。
亜鉛合金材料の合金成分としては、例えば、インジウム（例えば含有量が質量基準で０．００５～０．０５％）、ビスマス（例えば含有量が質量基準で０．００５～０．０５％）、アルミニウム（例えば含有量が質量基準で０．００１～０．１５％）などが挙げられる。
また、マグネシウム合金材料の合金成分としては、例えば、カルシウム（例えば含有量が質量基準で１～３％）、マンガン（例えば含有量が質量基準で０．１～０．５％）、亜鉛（例えば含有量が質量基準で０．４～１％）、アルミニウム（例えば含有量が質量基準で８～１０％）などが挙げられる。
更に、アルミニウム合金材料の合金成分としては、例えば、亜鉛（例えば含有量が質量基準で０．５～１０％）、スズ（例えば含有量が質量基準で０．０４～１．０％）、ガリウム（例えば含有量が質量基準で０．００３～１．０％）、ケイ素（例えば含有量が質量基準で０．０５％以下）、鉄（例えば含有量が質量基準で０．１％以下）、マグネシウム（例えば含有量が質量基準で０．１～２．０％）、マンガン（例えば含有量が質量基準で０．０１～０．５％）などが挙げられる。
なお、電池の廃棄時の環境負荷の低減を考慮すると、負極に使用する金属材料は、水銀、カドミウム、鉛およびクロムの含有量が少ないことが好ましく、具体的な含有量が、質量基準で、水銀：０．１％以下、カドミウム：０．０１％以下、鉛：０．１％以下、およびクロム：０．１％以下であることがより好ましい。
金属材料を含有する負極は、インジウム化合物を含有していることが好ましい。負極がインジウム化合物を含有することによって、金属材料と電解液との腐食反応による水素ガス発生をより効果的に防ぐことができる。
前記のインジウム化合物としては、例えば、酸化インジウム、水酸化インジウムなどが挙げられる。
負極に使用するインジウム化合物の量は、質量比で、金属材料：１００に対し、０．００３～１であることが好ましい。
負極には、前記金属材料の粒子（亜鉛系粒子、マグネシウム系粒子、アルミニウム系粒子）の他、亜鉛箔、亜鉛合金箔、マグネシウム箔、マグネシウム合金箔などの前記金属材料のシート（金属箔）を用いることもできる。このような負極の場合、その厚みは、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
また、金属材料を含有する負極には、必要に応じて集電体を用いてもよい。金属材料を含有する負極の集電体としては、ニッケル、銅、ステンレス鋼、チタンなどの電解質と反応しない金属の網、箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル；カーボンのシート、網；などが挙げられる。負極の集電体の厚みは、５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましく、また、３０μｍ以下であることがより好ましい。通常、厚みが５μｍ以上３０μｍ以下の銅箔を好適に用いることができる。
前記金属粒子を含有する負極には、前記金属粒子およびバインダなどを含有する負極合剤層を集電体の片面または両面に形成した構造のものを使用することができる。
負極合剤層と集電体とを有する形態の負極の場合、例えば、前記金属粒子およびバインダ、更には必要に応じて導電助剤などを水またはＮＭＰなどの有機溶媒に分散させて負極合剤含有組成物（スラリー、ペーストなど）を調製し（バインダは溶媒に溶解していてもよい）、これを集電体上に塗布し乾燥し、必要に応じてカレンダ処理などのプレス処理を施す工程を経て製造することができる。
負極合剤層の組成としては、例えば、前記金属粒子の含有量が７０～９９質量％であることが好ましく、バインダの含有量が１～３０質量％であることが好ましい。また、導電助剤を使用する場合には、負極合剤層における導電助剤の含有量は、１～２０質量％であることが好ましい。更に、負極合剤層の厚みは、集電体の片面あたり、１～１００μｍであることが好ましい。
負極合剤層を有する負極の集電体にも、前述したものを用いることができる。
また、負極の集電体には、前記正極の場合と同様に、シート状外装体の内面となることが予定される面にカーボンペーストを塗布して用いたり、シート状外装体に含まれる金属層を用いたりすることができる。前記のカーボンペースト層の厚みは、５０～２００μｍであることが好ましい。
負極も、正極と同様に、通常、負極外部端子を有しており、例えば負極集電体を構成し得る前記例示の金属製の箔（板）や線などを、負極の集電体とリード体を介して接続したり、負極の集電体に直接接続したりするなどして形成することができる。負極外部端子が箔（板）である場合の厚みは、２０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また、負極外部端子が線である場合の直径は、５０μｍ以上１５００μｍ以下であることが好ましい。
更に、前記の亜鉛系シートやマグネシウム系シートのように金属シートで構成される負極の場合、これらのシートの一部を負極のリードとして外部端子と接続させたり、更には外部端子を兼ねさせたりすることもできる。
＜セパレータ＞
正極と負極との間にはセパレータを介在させる。セパレータには、ビニロンとレーヨンを主体とする不織布、ビニロン・レーヨン不織布（ビニロン・レーヨン混抄紙）、ポリアミド不織布、ポリオレフィン・レーヨン不織布、ビニロン紙、ビニロン・リンターパルプ紙、ビニロン・マーセル化パルプ紙などを用いることができる。また、親水処理された微孔性ポリオレフィンフィルム（微孔性ポリエチレンフィルムや微孔性ポリプロピレンフィルムなど）と、セロファンフィルムと、ビニロン・レーヨン混抄紙のような吸液層（電解液保持層）とを積み重ねたものをセパレータとしてもよい。セパレータの厚みは、２０～５００μｍであることが好ましい。
後述するように電解質にｐＨが３以上１２未満の水溶液（電解液）を使用した場合には、セパレータにセロファンフィルムを用いることが好ましい。ｐＨが３以上１２未満の電解液を含有する空気電池は、従来から汎用されている水酸化カリウム水溶液などの強アルカリ性（ｐＨが１４程度）の水溶液を電解液とした場合に比べて、空気電池の環境負荷を低減できる一方で、放電特性が著しく低下する。ところが、ｐＨが３以上１２未満の電解液を含有する空気電池において、正極と負極との間に介在させるセパレータとしてセロファンフィルムを用いた場合には、セロファンフィルムを用いない場合に比べて放電容量および放電電圧を高めて、実用レベルの放電特性を確保することが可能となる。
セパレータにセロファンフィルムを用いる場合、セパレータはセロファンフィルムのみで構成してもよいが、この場合、強度が小さいために電池組み立て時の破損などの問題が発生しやすい。よって、特定の重合体で構成されるグラフトフィルムと、セロファンフィルムとを積層した積層体でセパレータを構成することも推奨される。
＜電解質＞
電解質としては、水に電解質塩などを溶解した水溶液（電解液）が用いられる。電解質塩としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化アンモニウムや塩化亜鉛などの塩化物；アルカリ金属やアルカリ土類金属の、水酸化物（水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウムなど）、酢酸塩（酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸マグネシウムなど）、硝酸塩（硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸マグネシウムなど）、硫酸塩（硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウムなど）、リン酸塩（リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸マグネシウムなど）、ホウ酸塩（ホウ酸ナトリウム、ホウ酸カリウム、ホウ酸マグネシウムなど）、クエン酸塩（クエン酸ナトリウム、クエン酸カリウム、クエン酸マグネシウムなど）、グルタミン酸塩（グルタミン酸ナトリウム、グルタミン酸カリウム、グルタミン酸マグネシウムなど）；アルカリ金属の炭酸水素塩（炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムなど）；アルカリ金属の過炭酸塩（過炭酸ナトリウム、過炭酸カリウムなど）；フッ化物などのハロゲンを含む化合物；多価カルボン酸；などが挙げられ、電解質は、これらの電解質塩のうちの１種または２種以上を含有していればよい。
廃棄時の環境負荷低減の観点から、電解質のｐＨは３以上１２未満であることが好ましく、電解質となる水溶液を調製する際にｐＨを変えてしまうような電解質塩を使用する場合には、その濃度を、電解質のｐＨが前記の値となるように調整することが好ましい。
電解質としては、塩化ナトリウム水溶液などの塩化物の水溶液がより好ましい。例えば、塩化ナトリウム水溶液の場合、その塩化ナトリウムの濃度は、１～２３質量％であることが好ましい。
空気電池の場合、電解質中の水分が蒸発して空気孔から散逸することによる電解質組成の変動の問題が生じやすい。よって、このような問題を回避する観点から、電解質の溶媒として沸点が１５０℃以上（好ましくは３２０℃以下）の水溶性高沸点溶媒を水と共に使用したり、水溶液からなる電解質に増粘剤を配合したり〔より好ましくはゲル状（ゲル状電解質）としたり〕することもできる。
前記水溶性高沸点溶媒としては、エチレングリコール（沸点１９７℃）、プロピレングリコール（沸点１８８℃）、グリセリン（沸点２９０℃）などの多価アルコール；ポリエチレングリコール（ＰＥＧ；例えば、沸点２３０℃）などのポリアルキレングリコール（分子量が６００以下のものが好ましい）；などが挙げられる。水溶性高沸点溶媒を使用する場合、その全溶媒中の割合は、３～３０質量％であることが好ましい。
また、負極に亜鉛系シートやマグネシウム系シートなどの金属箔を使用する場合、水溶液からなる電解液による腐食によって負極が破断し、容量が十分に引き出し得ないなどの問題が生じる虞があるが、水溶液からなる電解質に増粘剤を配合しておき、より好ましくはゲル状（ゲル状電解質）とした場合には、前記の電解質組成の変動の問題を回避できることに加えて、こうした問題の発生を抑制することもできる。電解質に配合し得る増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、カルボキシエチルセルロース（ＣＥＣ）などのセルロースの誘導体；ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などのポリアルキレングリコール（ただし、分子量が１０００以上のものが望ましく、１００００以上のものがより望ましい）；ポリビニルピロリドン；ポリ酢酸ビニル；デンプン；グアーガム；キサンタンガム；アルギン酸ナトリウム；ヒアルロン酸；ゼラチン；ポリアクリル酸；などの各種合成高分子または天然高分子が挙げられる。更に、前記例示の増粘剤の内、カルボキシル基やその塩からなる官能基（－ＣＯＯＨ、－ＣＯＯＮａなど）を分子内に有するものを用いる場合には、ゲル化促進剤として作用する多価金属塩を電解質に配合することも好ましい。電解質における増粘剤の配合量は、０．１～５質量％であることが好ましい。また、ゲル化促進剤を使用する場合には、質量比で、増粘剤の割合を１００としたときに、ゲル化促進剤の割合が１～３０であることが好ましい。
また、前記の通り、正極と外装体との間に撥水膜を配するが、その撥水膜には、撥水性がある一方で空気を透過できる膜が使用される。このような撥水膜の具体例としては、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂；ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン；などの樹脂で構成された膜などが挙げられる。撥水膜の厚みは、５０～２５０μｍであることが好ましい。
また、外装体と撥水膜との間に、外装体内に取り込んだ空気を正極に供給するための空気拡散膜を配置してもよい。空気拡散膜には、セルロース、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ナイロンなどの樹脂で構成された不織布を用いることができる。空気拡散膜の厚みは、１００～２５０μｍであることが好ましい。
本実施形態の電池ロールに係る電池は、その形態から、身体に装着可能なパッチ、特に、皮膚の表面に装着し、体温、脈拍、発汗量など身体の状況に関する測定を行うためのパッチなど、医療・健康用途の機器の電源として好適である。電池の破壊時に電解質が外部へ漏出する場合があることを考慮すると、特に前記のような用途に適用する場合には、より安全性が高いことから、本実施形態の電池ロールに係る電池は、電解質として水を溶媒とする電解質液（すなわち、電解質が水溶液であるもの）を使用する空気電池であることが好ましいが、同様の電解質液を使用するアルカリ電池やマンガン電池も、本実施形態の電池ロールに係る電池として好適に用いることができる。
次に、本実施形態の電池ロールに係るシート状外装体について説明する。シート状外装体は、樹脂製フィルムで構成することができるが、このような樹脂製フィルムとしては、ナイロンフィルム（ナイロン６６フィルムなど）、ポリエステルフィルム〔ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなど〕などが挙げられる。
なお、シート状外装体の封止は、シート状外装体の上側の樹脂製フィルムの端部と下側の樹脂製フィルムの端部との熱融着によって行うことが一般的であるが、この熱融着をより容易にする目的で、前記例示の樹脂製フィルムに熱融着樹脂層を積層してシート状外装体に用いてもよい。熱融着樹脂層を構成する熱融着樹脂としては、変性ポリオレフィン（変性ポリオレフィンアイオノマーなど）、ポリプロピレンおよびその共重合体などが挙げられる。熱融着樹脂層の厚みが２０～２００μｍであることが好ましい。
また、樹脂製フィルムには金属層を積層してもよい。金属層は、アルミニウムフィルム（アルミニウム箔、アルミニウム合金箔を含む。）、ステンレス鋼フィルム（ステンレス鋼箔。）などにより構成することができる。金属層の厚みは１０～１５０μｍであることが好ましい。
更に、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムには、前記の熱融着樹脂層と前記の金属層とを積層してもよい。
また、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムは、電気絶縁性の水蒸気バリア層を有していることも好ましい。この場合、電気絶縁性の樹脂製フィルム自体が水蒸気バリア層の役割も担う単層構造のものや、電気絶縁性の樹脂製フィルムの層を複数有し、そのうちの少なくとも１層が水蒸気バリア層の役割を担う多層構造のものであってもよく、また、樹脂製フィルムからなる基材層の表面に電気絶縁性の水蒸気バリア層を有する多層構造のものであってもよい。
このような樹脂製フィルムのなかでも、少なくとも無機酸化物で構成される水蒸気バリア層が、樹脂製フィルムからなる基材層の表面に形成されたものが、好ましく使用される。
水蒸気バリア層を構成する無機酸化物としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素などが挙げられる。なお、酸化ケイ素で構成される水蒸気バリア層は、酸化アルミニウムで構成される水蒸気バリア層に比べて、電池内の電解液中の水分の透過を抑制する機能が高い傾向にある。よって、水蒸気バリア層を構成する無機酸化物には、酸化ケイ素を採用することがより好ましい。
無機酸化物で構成される水蒸気バリア層は、例えば蒸着法によって基材層の表面に形成することができる。水蒸気バリア層の厚みは、１０～３００ｎｍであることが好ましい。
水蒸気バリア層を有する樹脂製フィルムの基材層には、前記のナイロンフィルムやポリエステルフィルムが挙げられる他、ポリオレフィンフィルム、ポリイミドフィルム、ポリカーボネートフィルムなども用いることができる。基材層の厚みは、５～１００μｍであることが好ましい。
水蒸気バリア層と基材層とを有する樹脂製フィルムの場合、水蒸気バリア層を保護するための保護層を、水蒸気バリア層の表面（基材層とは反対側の面）に形成してもよい。
また、水蒸気バリア層と基材層とを有する樹脂製フィルムの場合にも、前記の熱融着樹脂層が更に積層されていてもよい。
シート状外装体全体の厚みは、シート状電池に十分な強度を持たせるなどの観点から、１０μｍ以上であることが好ましく、シート状電池の厚みの増大やエネルギー密度の低下を抑える観点から、２００μｍ以下であることが好ましい。
シート状外装体に使用する樹脂製フィルムの水蒸気透過度は、１０ｇ／ｍ2・２４ｈ以下であることが好ましい。なお、樹脂製フィルムは、できるだけ水蒸気を透過しないことが望ましく、すなわち、その水蒸気透過度は、できるだけ小さい値であることが好ましく、０ｇ／ｍ2・２４ｈであってもよい。
本明細書でいう樹脂製フィルムの水蒸気透過度は、ＪＩＳ Ｋ ７１２９Ｂ法に準じて測定される値である。
なお、本実施形態の電池ロールに係る電池が空気電池の場合には、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムが、ある程度の酸素透過性を有していることが好ましい。空気電池は正極に空気（酸素）を供給して放電させるため、電池内に酸素を導入するための空気孔をシート状外装体に形成するが、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムが酸素透過性を有している場合には、シート状外装体の空気孔以外の箇所からも、外装体を透過させて電池内に酸素を導入することができるため、正極の全体にわたってより均一に酸素が供給されるようになり、電池の放電特性を向上させたり、その放電時間を長時間化したりすることが可能となる。また、シート状外装体に空気孔を持たないシート状空気電池の実現も可能となる。
電池が空気電池の場合の、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムの具体的な酸素透過度としては、０．０２ｃｍ3／ｍ2・２４ｈ・ＭＰａ以上であることが好ましく、０．２ｃｍ3／ｍ2・２４ｈ・ＭＰａ以上であることがより好ましい。ただし、電池が空気電池の場合、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムが酸素を透過しすぎると、自己放電が生じて容量が損なわれる虞があるため、樹脂製フィルムの酸素透過度は、１００ｃｍ3／ｍ2・２４ｈ・ＭＰａ以下であることが好ましく、５０ｃｍ3／ｍ2・２４ｈ・ＭＰａ以下であることがより好ましい。
他方、電池ロールに係る電池が空気電池以外の電池の場合には、シート状外装体に使用する樹脂製フィルムの酸素透過性については特に制限はないが、電池の貯蔵性向上の観点からは、あまり酸素を透過しないものが好ましく、具体的な樹脂製フィルムの酸素透過度は、１０ｃｍ3／ｍ2・２４ｈ・ＭＰａ以下であることが好ましい。
本明細書でいう樹脂製フィルムの酸素透過度は、ＪＩＳ Ｋ ７１２６－２法に準じて測定される値である。
電池ロールに係る電池の厚み（図２中ａの長さ）については特に制限はなく、電池の用途に応じて適宜変更できる。なお、シート状外装体を有する電池（すなわち、シート状電池）は薄型にできることがその利点の一つであり、かかる観点からは、その厚みは、例えば１ｍｍ以下であることが好ましい。電池が空気電池の場合には、特にこのような薄型のものの提供が容易となる。
また、電池の厚みの下限値についても特に制限はないが、一定の容量を確保するために、通常は、０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。
本実施形態の電池ロールから得られる電池は、シート状外装体を有するシート状電池であり、従来から知られている各種のシート状電池が使用されている用途と同じ用途に適用することができるが、前記の通り、皮膚の表面に装着し、体温、脈拍、発汗量など身体の状況に関する測定を行うためのパッチなどの、身体に装着可能なパッチをはじめとして、医療・健康用途の機器の電源に特に好適である。
以下、本願で開示する電池ロールを実施例に基づいて詳細に説明するが、以下の実施例は、本願で開示する電池ロールを制限するものではない。
（実施例１）
＜正極＞
正極（空気極）には、多孔性のカーボンペーパー〔厚み：０．２５ｍｍ、空孔率：７５％、透気度（ガーレー）：７０秒／１００ｍｌ〕を用いた。
＜負極＞
負極には、添加元素としてＢｉを０．０４質量％含有する亜鉛合金箔（厚み：０．０５ｍｍ）を用いた。
＜セパレータ＞
セパレータには、ポリエチレン主鎖にアクリル酸をグラフト共重合させた構造を有するグラフト共重合体で構成された２枚のグラフトフィルム（１枚当たりの厚み：１５μｍ）を、セロハンフィルム（厚み：２０μｍ）の両側に配置したもの（全体の厚み：５０μｍ）を用いた。
＜電解液＞
電解液には、２０質量％濃度の硫酸アンモニウム水溶液を用いた。
＜撥水膜＞
撥水膜には、厚みが２００μｍのＰＴＦＥ製シートを用いた。
＜外装体＞
正極側および負極側のそれぞれの外装体として、アルミニウム箔の外面にＰＥＴフィルムを有し、内面に熱融着樹脂層としてポリプロピレンフィルムを有するアルミラミネートフィルム（厚み：６５μｍ）を用いた。
＜電池の組み立て＞
ロールから巻き出された、正極側に配置される外装体には、直径１ｍｍの空気孔９個を縦９ｍｍ×横９ｍｍの等間隔（空気孔同士の中心間距離は１０ｍｍ）で規則的に形成し、その内面側にホットメルト樹脂を塗布した。次に、ロールから供給される前記ＰＴＦＥ製シートを４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさに切断して前記ホットメルト樹脂を塗布した面に積層し、加熱プレスにより熱溶着させ撥水膜を形成した。
また、ロールから供給される前記カーボンペーパーを、３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの触媒層と、その一端に５ｍｍ×１５ｍｍの大きさのリード部と、を有する形状に打ち抜いて正極とし、前記撥水膜上に前記正極を積層し、更に、ロールから供給される前記セパレータを、４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさに切断して前記正極上に積層した。
次に、亜鉛合金箔をロールから供給し、活物質として機能する３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの部分と、その一端に５ｍｍ×１５ｍｍの大きさのリード部と、を有する形状に打ち抜いて負極とし、前記負極のリード部が前記正極のリード部と同じ側に配置されるように、前記セパレータ上に前記負極を積層した。
また、ロールから巻き出された、負極側に配置される外装体には、前記正極および前記負極のリード部と対向する部分に、リード部と外装体との熱溶着部の封止性を高めるため、外装体の辺と平行に、変性ポリオレフィンアイオノマーフィルムを取り付けた。
次に、前記負極側の外装体を、前記負極上に積層し、それぞれの外装体の前記正極および前記負極のリード部が配置されている辺およびその両側の辺について、周縁部を互いに熱溶着して封止した後、巻き取ることにより、外装体内に、撥水膜、正極、セパレータおよび負極の積層体が長手方向に並んで配置されたシート状連続体のロールを得た。
前記シート状連続体のロールは、電解液を注液するために、正極および負極のリード部が配置された箇所の反対側が封止されず開口となっており、前記開口が上向きになるよう前記ロールを配置した後、前記シート状連続体を巻き出し、更に、前記開口から前記電解液を注液した後、前記開口を熱溶着して封止することにより、正極、負極、セパレータおよび電解質（電解液）を含む発電要素が、樹脂製フィルムで構成された長尺のシート状外装体内に個別に封止されてなる、長さ３００ｍの電池のシート状連続体を作製した。個々の電池の外装体の大きさは、５０ｍｍ×５０ｍｍとした。
前記シート状連続体は、個々の空気電池の空気孔が内側に向くようにして直径が１００ｍｍのＡＢＳ樹脂製の巻き芯に巻回し、電池ロールとした。
＜貯蔵試験＞
作製した前記電池ロールの最外周端部の電池を、シート状連続体から切り離し、０．７５ｋΩの放電抵抗を接続して室温で放電を行い、電池電圧が０．５Ｖに低下するまでの放電容量（貯蔵前容量）を測定した。
次に、前記電池ロールの巻回が緩まないよう、電池を切り離した後の最外周端部を粘着テープで固定した後、４０℃の環境下で１４日間保管する貯蔵試験を行った。
前記貯蔵試験後に、電池ロールのシート状連続体を巻き戻し、最外周端部から内周側に１５０ｍの位置にある電池（最外周端部から３００１個目の電池）を切り離し、前記と同様にして室温で放電容量（貯蔵後容量）を測定し、貯蔵前容量に対する割合（容量維持率）を求めた。
（実施例２）
電池のシート状連続体をＡＢＳ樹脂製の巻き芯に巻回する際に、厚みが３０μｍのエチレン－ビニルアルコール共重合体製のフィルムと重ねて巻回を行い、電池の正極側外装体に形成された空気孔が前記フィルムで覆われるようにした以外は、実施例１と同様にして電池ロールを作製した。
作製した前記電池ロールについて、実施例１と同様にして貯蔵試験を行い、貯蔵試験後の電池の容量維持率を、実施例１と同様にして求めた。
（比較例１）
実施例１と同様にして作製した電池のシート状連続体から１つの電池を切り離し、切り離された電池の空気孔をシールで塞ぐことなく、切り離された電池をそのまま単独で、４０℃の環境下で１４日間保管する貯蔵試験を行った。貯蔵試験後の電池について、実施例１と同様にして貯蔵後容量を測定し、実施例１で測定した貯蔵前容量との比較により容量維持率を求めた。
前記貯蔵試験における電池の容量維持率の測定結果を表１に示す。
Figure 0007330971000001
実施例１および２の電池では、電池のシート状連続体を巻回して電池ロールを形成したことにより、シールをしなくとも、従来と同様の形態の比較例１の電池よりも、貯蔵時における内部への空気の流入を抑制することができ、容量維持率を高めることができた。巻回時に樹脂製シートを介挿した実施例２の電池ロールから得られた電池は、前記シートによって正極側の空気孔がより良好に封止されたため、実施例１の電池ロールから得られた電池に比べて容量維持率をより向上させることができた。
本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上記以外の形態としても実施が可能である。本願に開示された実施形態は一例であって、これらに限定はされない。本発明の範囲は、上述の明細書の記載よりも、添付されている請求の範囲の記載を優先して解釈され、請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更は、請求の範囲に含まれるものである。
１ 空気電池（シート状電池）
２０ 正極
２０ａ 正極外部端子
３０ 負極
３０ａ 負極外部端子
４０ セパレータ
５０ 撥水膜
６０ シート状外装体
６１ 空気孔
１００ 電池ロール
１００ａ 電池のシート状連続体

Claims (9)

  1. 長尺のシート状外装体と、複数の発電要素とを含むシート状連続体からなる電池ロールであって、
    前記シート状外装体は、樹脂製フィルムを含み、
    前記発電要素は、前記シート状外装体内に個別に封止され、
    前記発電要素は、前記シート状外装体の長手方向に並んで配置され、
    前記発電要素は、正極、負極、セパレータおよび電解質を含み、
    前記負極の活物質が、金属箔で構成されており、
    前記金属箔の一部が、前記負極のリードを構成しており、
    前記シート状外装体と、前記発電要素とは、個々の電池を構成し、
    前記シート状連続体は、渦巻状に巻回されている電池ロール。
  2. 前記発電要素は、前記シート状外装体の長手方向に一列に並んで配置されている請求項１に記載の電池ロール。
  3. 前記個々の電池が、切り離し容易に形成されている請求項１または２に記載の電池ロール。
  4. 前記金属箔の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１～３のいずれかに記載の電池ロール。
  5. 前記電池が、正極に空気極を有し、かつ前記シート状外装体に空気孔を有する空気電池である請求項１～４のいずれかに記載の電池ロール。
  6. 前記シート状外装体の前記空気孔側に樹脂製シートを重ねた状態で、前記シート状連続体が、渦巻状に巻回されている請求項５に記載の電池ロール。
  7. 前記樹脂フィルムが、電気絶縁性の水蒸気バリア層を含む請求項１～６のいずれかに記載の電池ロール。
  8. 請求項１～７のいずれかに記載の電池ロールの製造方法であって、
    金属箔を供給し、リードを有する所定の形状に切断して前記負極を形成する工程と、
    前記シート状外装体内に、前記正極、前記セパレータおよび前記負極を順次積層した積層体と、前記電解質とを含む発電要素を封入して、前記シート状連続体を形成する工程と、
    前記シート状連続体を渦巻状に巻回して電池ロールとする工程とを含む電池ロールの製造方法。
  9. 前記金属箔の厚みが１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項８に記載の電池ロールの製造方法。
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