特許 7644536 折りたたみ式電池用シート、折りたたみ式電池および折りたたみ式電池の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-04

(45)【発行日】2025-03-12

(54)【発明の名称】折りたたみ式電池用シート、折りたたみ式電池および折りたたみ式電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 12/06 20060101AFI20250305BHJP

   H01M 8/1006 20160101ALI20250305BHJP

   H01M 6/10 20060101ALI20250305BHJP

   H01M 10/0583 20100101ALI20250305BHJP

【ＦＩ】

H01M12/06 Z

H01M8/1006

H01M6/10 Z

H01M10/0583

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2023531397

(86)(22)【出願日】2022-03-07

(86)【国際出願番号】 JP2022009650

(87)【国際公開番号】W WO2023276283

(87)【国際公開日】2023-01-05

【審査請求日】2023-12-26

(31)【優先権主張番号】P 2021107684

(32)【優先日】2021-06-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100165179

【弁理士】

【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100152272

【弁理士】

【氏名又は名称】川越 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(72)【発明者】

【氏名】阿部 博弥

(72)【発明者】

【氏名】藪 浩

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 晃寿

【審査官】前田 寛之

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２５１７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１２６７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３４６８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１３１４６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５３７９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０８９８５５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ６／００－１６／００

Ｈ０１Ｍ５０／１０－５０／１９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一面及び他面を有し、相互に平行な複数の折り曲げ予定線が設定されたシートと、
前記シート上であって、一対の前記折り曲げ予定線の間に配置された、少なくとも１つの電解質部と、
前記シート上であって、前記折り曲げ予定線を挟んで前記電解質部の隣に配置された複数の電極部と、を有し、
前記電解質部は、
前記シートの一面と他面との間に設けられた貫通孔と、
前記貫通孔を挟んで対向するように前記シートの一面上及び他面上に形成され、前記貫通孔を通じて一体化された電解質層と、を有し、
前記電極部は、
前記シートの一面に設けられた正極層と、
前記シートの他面であって、前記シートを挟んで前記正極層と対向する位置に設けられた負極層と、
前記シートを貫通して前記正極層および前記負極層を導通させる導電体と、を有することを特徴とする、折りたたみ式電池用シート。

【請求項2】

前記電解質部は、前記シートを平面視した際、千鳥状に配列されていることを特徴とする、請求項１に記載の折りたたみ式電池用シート。

【請求項3】

前記正極層は、前記折り曲げ予定線に沿って前記シートが折り曲げられた際に、前記シートの一面側の前記電解質層に接するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の折りたたみ式電池用シート。

【請求項4】

前記負極層は、前記折り曲げ予定線に沿って前記シートが折り曲げられた際に、前記シートの他面側の前記電解質層に接するように配置されていることを特徴とする、請求項１または３に記載の折りたたみ式電池用シート。

【請求項5】

前記電解質層は、ゲル状もしくは固体状であることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の折りたたみ式電池用シート。

【請求項6】

前記シートは、疎水性シートからなることを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の折りたたみ式電池用シート。

【請求項7】

前記貫通孔内に、セパレータが埋め込まれていることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の折りたたみ式電池用シート。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか一項に記載の折りたたみ式電池用シートからなることを特徴とする、折りたたみ式電池。

【請求項9】

請求項１～７のいずれか一項に記載の折りたたみ式電池用シートからなる折りたたみ式電池の製造方法であって、
一面及び他面を有する前記シートに、相互に平行な複数の前記折り曲げ予定線を設定し、
前記折り曲げ予定線に沿って前記シートを折り曲げる際、
前記正極層が前記シートの一面側の前記電解質層に接するよう折り曲げ、かつ前記負極層が前記シートの他面側の前記電解質層に接するよう折り曲げることを特徴とする、折りたたみ式電池の製造方法。

【請求項10】

一面及び他面を有し、相互に平行な複数の電極部用折り曲げ予定線が設定された電極部用シートと、
一面及び他面を有し、相互に平行な複数の電解質部用折り曲げ予定線が設定された電解質部用シートと、
前記電解質部用シートの一面上であって、前記電解質部用折り曲げ予定線の両側に配置された複数の電解質部と、
前記電極部用シート上の一面及び他面上であって、前記電極部用折り曲げ予定線同士の間に配置された複数の電極部と、を有し、
前記電解質部は、
前記電解質部用シートの一面上に形成され、かつ、前記電解質部用折り曲げ予定線上で一体化された電解質層と、を有し、
前記電極部は、
前記電極部用シートの両面に、格子状に設けられた複数の正極層および複数の負極層と、
前記電極部用シートを貫通して前記正極層および前記負極層を導通させる導電体と、を有し、
前記複数の正極層は、前記電極部用折り曲げ予定線に沿って配列され、
前記複数の負極層は、前記電極部用折り曲げ予定線を挟んで、複数の前記正極層の列と隣り合うように配列され、
前記正極層と前記負極層は、前記電極部用シートを挟んで互いに対向する位置となるよう、設けられていることを特徴とする、折りたたみ式電池用シート。

【請求項11】

請求項１０に記載の折りたたみ式電池用シートからなることを特徴とする、折りたたみ式電池。

【請求項12】

請求項１０に記載の折りたたみ式電池用シートからなる折りたたみ式電池の製造方法であって、
前記正極層と前記負極層それぞれと前記電解質部が接するように、前記電極部用シートの両面に、前記電解質部用シートを重ね合わせ、
次いで、前記電極部用シート上の隣り合う前記正極層と前記負極層が、前記電解質部用シート上の前記電解質部を介して対向するよう、前記電極部用折り曲げ予定線および前記電解質部用折り曲げ予定線に沿って各シートを折り曲げることを特徴とする、折りたたみ式電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、折りたたみ式電池用シート、折りたたみ式電池および折りたたみ式電池の製造方法に関する。
本願は、２０２１年６月２９日に、日本に出願された特願２０２１－１０７６８４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

【背景技術】

【0002】

種々の電子機器に用いられる電池として、積層型電池が知られている。
積層型電池は、積層数の変更によって電池の電圧を任意の電圧に設定できることから、大容量化への期待も相まって、近年、広く注目されている。

【0003】

特許文献１には、全固体二次電池を直列結線した積層形全固体二次電池が開示されている。

【0004】

また特許文献２には、積層型電池に関し、帯状に連続する一対のセパレータ間に帯状の負極体が圧着された負極・セパレータ圧着体と、帯状に連続する正極リードによって複数の正極が互いに連結された正極連結体とからなる電極構造が開示されている。特許文献２に記載の積層型電池においては、負極・セパレータ圧着体は、隣り合う負極間において山折りと谷折りが交互となるように入れられた折り目を有する。一方の正極連結体は、隣り合う正極が、負極・セパレータ圧着体の一面側と他面側に交互に挿入され、セパレータを介して負極リードが形成された負極に対向するように組み付けられ、負極・セパレータ圧着体とともに折り畳まれる構造を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】日本国特開平４－６５０７１号公報

【文献】日本国特開２０１３－２２２６０２号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】Thomas B. H. Schroeder, Anirvan Guha, Aaron Lamoureux, Gloria VanRenterghem, David Sept, Max Shtein, Jerry Yang, and Michael Mayer, NATURE Volume552 (14 December 2017) p214-218.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１および特許文献２のように、これまで種々の積層型電池が検討されてきた。しかし、近年では、電池のさらなる小型化、高容量化が望まれている。

【0008】

また、非特許文献１には、折りたたみ式の濃淡電池が開示されているものの、１セルあたりの電位は１５０ｍＶ程度で、得られる電流は数μＡ程度と低い。そのため、非特許文献１に記載の折りたたみ式の濃淡電池の電池性能は、各種電子機器に搭載する水準としては不十分である。また、非特許文献１に記載の濃淡電池は、電極を挟んで隣り合う電解質同士の濃度に差をつける必要があるため、その製造工程は複雑で、かつ工数も増大する。
さらに、前述のように電解質の間で濃度の差を付けなければならないため、必然的に、電池が大型化してしまう。

【0009】

ここで、各種の電池の中でも、比較的小型（軽量）の電池として金属空気電池が知られている。金属空気電池は、小型で、かつ高容量でもあることから、近年、注目を集め始めており、特に、災害用電池や非常用電池などへの適用が検討されている。

【0010】

しかしながら、金属空気電池は、構成要素のうち電解質と金属極（負極）が接触することで金属極の劣化が進行する問題がある。すなわち、金属空気電池を単に積層型としても、高容量を得られる一方、前述の金属極の劣化によって電池性能が低下する問題がある。

【0011】

また、電池を災害時や非常時に用いることを想定した場合、長期間、電池性能を劣化させることなく保管できることが望ましい。しかし、金属空気電池の場合、長期間の保管は、前述の金属極の劣化によって電池性能の経時劣化を招く。そのため、金属空気電池を長期間、電池性能を劣化させることなく保管することは非常に困難であった。

【0012】

以上を鑑み、本発明は、電池性能を劣化させることなく長期間の保管が可能で、かつコンパクトな折りたたみ式電池を簡便に製造することが可能な折りたたみ式電池用シートを提供することを課題とする。さらに本発明は、このような折りたたみ式電池用シートからなる折りたたみ式電池、ならびに折りたたみ式電池の製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明者らは、電池を長期間保管する際に生じる電池性能の劣化を抑制する方法ついて検討した。その結果、電池としての構成要素をあらかじめシート上に適切に配置しておき、その後、電池として使用を開始する段階で、当該シートを折りたたんで電池となすことで、使用開始直前まで、電池性能の経時劣化を防止できることを見出した。さらに、シート上に電池の構成要素を配置する際、所定の配置パターンとなるよう適切に配置することで、多層の直列繋ぎを達成することができ、その結果、高電圧の電池を得ることが可能になる。

【0014】

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。
［１］本発明の一実施形態に係る折りたたみ式電池用シートは、一面及び他面を有し、相互に平行な複数の折り曲げ予定線が設定されたシートと、
前記シート上であって、一対の前記折り曲げ予定線の間に配置された、少なくとも１つの電解質部と、
前記シート上であって、前記折り曲げ予定線を挟んで前記電解質部の隣に配置された複数の電極部と、を有し、
前記電解質部は、
前記シートの一面と他面との間に設けられた貫通孔と、
前記貫通孔を挟んで対向するように前記シートの一面上及び他面上に形成され、前記貫通孔を通じて一体化された電解質層と、を有し、
前記電極部は、
前記シートの一面に設けられた正極層と、
前記シートの他面であって、前記シートを挟んで前記正極層と対向する位置に設けられた負極層と、
前記シートを貫通して前記正極層および前記負極層を導通させる導電体と、を有する。
［２］上記［１］に記載の折りたたみ式電池用シートにおいては、前記電解質部は、前記シートを平面視した際、千鳥状に配列されていてもよい。
［３］上記［１］に記載の折りたたみ式電池用シートにおいては、前記正極層は、前記折り曲げ予定線に沿って前記シートが折り曲げられた際に、前記シートの一面側の前記電解質層に接するように配置されていてもよい。
［４］上記［１］または［３］に記載の折りたたみ式電池用シートにおいては、前記負極層は、前記折り曲げ予定線に沿って前記シートが折り曲げられた際に、前記シートの他面側の前記電解質層に接するように配置されていてもよい。
［５］上記［１］～［４］の何れか一項に記載の折りたたみ式電池用シートにおいては、前記電解質層は、ゲル状もしくは固体状であってもよい。
［６］上記［１］～［５］の何れか一項に記載の折りたたみ式電池用シートにおいては、前記シートは、疎水性シートからなるものであってもよい。
［７］上記［１］～［６］の何れか一項に記載の折りたたみ式電池用シートにおいては、前記貫通孔内に、セパレータが埋め込まれていてもよい。

【0015】

［８］本発明の一実施形態に係る折りたたみ式電池は、上記［１］～［７］のいずれか一項に記載の折りたたみ式電池用シートからなる。

【0016】

［９］本発明の一実施形態に係る折りたたみ式電池の製造方法は、上記［１］～［７］のいずれか一項に記載の折りたたみ式電池用シートからなる折りたたみ式電池の製造方法であって、
一面及び他面を有する前記シートに、相互に平行な複数の前記折り曲げ予定線を設定し、
前記折り曲げ予定線に沿って前記シートを折り曲げる際、
前記正極層が前記シートの一面側の前記電解質層に接するよう折り曲げ、かつ前記負極層が前記シートの他面側の前記電解質層に接するよう折り曲げる。

【0017】

［１０］本発明の他の実施形態に係る折りたたみ式電池用シートは、一面及び他面を有し、相互に平行な複数の電極部用折り曲げ予定線が設定された電極部用シートと、
一面及び他面を有し、相互に平行な複数の電解質部用折り曲げ予定線が設定された電解質部用シートと、
前記電解質部用シートの一面上であって、前記電解質部用折り曲げ予定線の両側に配置された複数の電解質部と、
前記電極部用シート上の一面及び他面上であって、前記電極部用折り曲げ予定線同士の間に配置された複数の電極部と、を有し、
前記電解質部は、
前記電解質部用シートの一面上に形成され、かつ、前記電解質部用折り曲げ予定線上で一体化された電解質層と、を有し、
前記電極部は、
前記電極部用シートの両面に、格子状に設けられた複数の正極層および複数の負極層と、
前記電極部用シートを貫通して前記正極層および前記負極層を導通させる導電体と、を有し、
前記複数の正極層は、前記電極部用折り曲げ予定線に沿って配列され、
前記複数の負極層は、前記電極部用折り曲げ予定線を挟んで、複数の前記正極層の列と隣り合うように配列され、
前記正極層と前記負極層は、前記電極部用シートを挟んで互いに対向する位置となるよう、設けられている。

【0018】

［１１］本発明の他の実施形態に係る折りたたみ式電池は、上記［１０］に記載の折りたたみ式電池用シートからなる。

【0019】

［１２］本発明の他の実施形態に係る折りたたみ式電池の製造方法は、上記［１０］に記載の折りたたみ式電池用シートからなる折りたたみ式電池の製造方法であって、
前記正極層と前記負極層それぞれと前記電解質が接するように、前記電極部用シートの両面に、前記電解質部用シートを重ね合わせ、次いで、前記電極部用シート上の隣り合う前記正極層と前記負極層が、前記電解質部用シート上の前記電解質部を介して対向するよう、前記電極部用折り曲げ予定線および前記電解質部用折り曲げ予定線に沿って各シートを折り曲げる。

【発明の効果】

【0020】

本発明に係る上記実施形態によれば、電池性能を劣化させることなく長期間の保管が可能で、かつコンパクトな折りたたみ式電池を簡便に製造することが可能な折りたたみ式電池用シートを提供することができる。さらに本発明に係る上記実施形態によれば、このような折りたたみ式電池用シートからなる折りたたみ式電池、ならびに折りたたみ式電池の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1A】図１Ａは、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シートを、一面側から見た斜視図である。

【図1B】図１Ｂは、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シートを、他面側から見た斜視図である。

【図2】図２は、図１Ａに示す線分Ｘ－Ｘによる断面模式図である。

【図3】図３は、本実施形態に係る折りたたみ電池１の模式図である。

【図4A】図４Ａ（ａ）は、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シートを構成する電極部用シートを、一面側から見た斜視図である。図４Ａ（ｂ）は、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シートを構成する電極部用シートを、他面側から見た斜視図である。

【図4B】図４Ｂ（ａ）は、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シートを構成する電解質部用シートを、一面側から見た斜視図である。図４Ｂ（ｂ）は、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シートを構成する電解質部用シートを、他面側から見た斜視図である。

【図4C】図４Ｃ（ａ）は、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シートを構成する電極部用シートと電解質部用シートの重ね合わせの配置例を示す模式図である。図４Ｃ（ｂ）は、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池１Ａの模式図である。

【図5A】図５Ａは、実施例における、各スタックの合計電圧を示すグラフである。

【図5B】図５Ｂは、実施例における、各スタックの１セル毎の平均電圧（合計電圧／セル数）を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート、折りたたみ式電池および折りたたみ式電池の製造方法について、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本実施形態はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

【0023】

［折りたたみ式電池用シート］
図１Ａは、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シートを、一面側から見た斜視図である。図１Ｂは、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シートを、他面側から見た斜視図である。また、図２は、図１Ａに示す線分Ｘ－Ｘによる断面模式図である。

【0024】

本実施形態の折りたたみ式電池用シート１０は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、シート１１と、シート１１上に配置された複数の電解質部１２と、シート１１上に配置された複数の電極部１３とを有する。なお、図１Ａ、図１Ｂでは、複数の電解質部１２を設ける例を示しているが、本実施形態ではこれに限らず、電解質部１２は１つであってもよい。すなわち、電池として機能させるためには、電極部１３が２つと、電解質部１２が１つあれば足り得る。以下、説明の便宜上、シート１１上に複数の電解質部１２を設ける場合について説明する。

【0025】

シート１１は、疎水性シートからなるシートである。具体的には、シート１１は絶縁体からなるフィルム状のシートであればよく、その素材としては、特に限定しない。シート１１としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどを用いることができる。なお、シート１１上には、後述する電解質部１２および電極部１３が配置されるため、シート１１の素材としては、耐久性の観点から、ポリエチレンテレフタラートを採用するとよい。

【0026】

また、折りたたみ式電池用シート１０を種々の電池に適用する場合は、適用する電池に要求される各特性に応じて、シート１１の素材を適宜、決定してもよい。例えば、折りたたみ式電池用シート１０を金属空気電池に適用する場合は、シート１１として通気性のよい紙製のシートを採用することで、電池性能をより向上させることもできる。

【0027】

シート１１は、図１Ａ、図１Ｂに示すように、一面１１ａ及び他面１１ｂを有し、さらに、シート１１上には、相互に平行な複数の折り曲げ予定線Ｌが設定されている。後述するが、折りたたみ式電池用シート１０を用いて電池を製造する場合、この折り曲げ予定線Ｌに沿って折りたたむことで、電池となすことができる。よって、シート１１上の折り曲げ予定線Ｌは、シート１１を折り曲げた際に、隣り合う電解質部１２と電極部１３とが接触できるように設定される。具体的には、複数の折り曲げ予定線Ｌに沿ってシート１１を折りたたんだ場合、山折りと谷折りが交互に出現するよう、折り曲げ予定線Ｌの配置が設定される。

【0028】

シート１１の厚みは、特に限定せず、前述のように、電池を製造する場合にシート１１を折り曲げることができる程度とすればよい。また、シート１１に用いる素材に応じて、適宜、厚みを設計してよい。なお、シート１１の厚みを大きくするほど、反応の寄与する電極部１３内の金属粉や触媒などの面積を増大でき、結果、大きな電流値を得ることができる。一方、シート１１の厚みが小さくなるほど、得られる電流値が小さくなる。そのため、大きな電流値を確保する観点からは、シート１１の厚みを大きくすることが好ましい。ただし、シート１１の厚みが過度に大きいと、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたむ際に、電池としてかさばってしまう。加えて、シート１１の厚みが過度に大きいと、正極層１３Ａと負極層１３Ｂとが電解質層１２ａを介して重なりあうように折りたたむことが困難となり、シート上の各要素の接触不良を招くおそれもある。また、シート１１の厚みが大きいほど電池の内部抵抗が上昇するため出力低下を招く恐れもある。以上のような観点から、シート１１の厚みは、例えば、１００μｍ～１０００μｍとしてよい。

【0029】

電解質部１２は、一対の折り曲げ予定線Ｌの間のシート１１上に、複数配置されている。また、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、折り曲げ予定線Ｌを挟んで対向する電解質部１２の各列は、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたんだ際に電解質部１２同士が重なり合わないよう配列されている。例えば、複数の電解質部１２は、折りたたみ式電池用シート１０を平面視した際、千鳥状に配列されていてもよい。つまり、シート上の複数の電解質部１２は、折り曲げ予定線Ｌを軸として、電解質部１２同士が隣り合わないようなに配列されている。

【0030】

電解質部１２は、図２に示すように、シート１１の一面１１ａと他面１１ｂとの間に設けられた貫通孔Ｈと、貫通孔Ｈを挟んで対向するようにシート１１の一面１１ａ上及び他面１１ｂ上に形成された電解質層１２ａと、を備える。

【0031】

シート１１の一面１１ａ上の電解質層１２ａと、他面１１ｂ上の電解質層１２ａは、貫通孔Ｈを通じて一体化されている。この貫通孔Ｈは、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたんで電池とした際、イオン伝導を担う要素となる。なお、貫通孔Ｈの個数は、図２に示すように、電解質部１２ひとつにつき１個でもよいが、シート１１や電解質部１２等の形状や寸法に応じて適宜決定してよく、電解質部１２ひとつにつき複数個設けてもよい。

【0032】

電解質層１２ａは、ゲル状もしくは固体状であることが望ましい。
本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート１０は、折りたたむことで電池となすことができる。しかし、電池となすまでは、シート１１上の各要素同士（電解質部１２と電極部１３）の接触を回避した状態で、折りたたみ式電池用シート１０を保存できることが望ましい。そのためには、電解質層１２ａの過度の変形や他の要素への漏洩を抑制することが効果的である。よって本実施形態では、電解質部１２ａの過度の変形や他の要素への漏洩を抑制すべく、電解質層１２ａは、ゲル状もしくは固体状であることが望ましい。

【0033】

電解質層１２ａを、ゲル状もしくは固体状とするためには、後述する電解質層１２ａの材料に対し、例えば、ゲル化剤、増粘剤等を含有させるとよい。ゲル化剤としては、ゼラチン、アガロース、アクリルアミド、ポリ(エチレングリコール)ジアクリラート、ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレートが例示できる。この中でも、アルカリ性に対して耐性があり、光照射により簡便にゲル化できることから、ポリ(エチレングリコール)ジアクリラート、もしくはポリ(エチレングリコール)ジメタクリレートを用いることが望ましい。ただし、ポリ(エチレングリコール)ジアクリラートやポリ(エチレングリコール)ジメタクリレートの鎖長は、あまりにも短い（例えば、重合度１～３）と固化してしまう。そのため、ポリ(エチレングリコール)ジアクリラート、もしくはポリ(エチレングリコール)ジメタクリレートを用いる場合には、柔らかいゲル状態を形成するために、ある程度以上の長さ（例えば、重合度５以上）のものを用いることが望ましい。ポリ(エチレングリコール)ジアクリラートやポリ(エチレングリコール)ジメタクリレートをゲル化剤として使用する際は、アクリル系モノマーをラジカル開始剤と混合し、加熱や光等によりゲル化を進行させることが望ましい。また、電解質層１２ａとしてゼラチン単体を用いてもよい。

【0034】

電解質層１２ａの材料としては、例えば、水系電解液を用いることができる。例えば、水系電解液としては、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液等のアルカリ水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液等の中性水溶液、硫酸水溶液等の酸性水溶液が例示される。水系電解液の合計イオン濃度は１ｍｍоｌ／Ｌ以上であればよく、１００ｍｍоｌ／Ｌ以上であればさらに望ましい。本実施形態の折りたたみ式電池用シート１０を金属空気電池に適用する場合は、金属空気電池の出力を高くする観点から、この中でも特に、アルカリ水溶液を用いることが望ましい。電解質層１２ａの材料は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。なお、電解質層１２ａはこれらの例示に限定されず、例えば、無機電解質であってもよい。

【0035】

電解質層１２ａの厚みは、特に限定しないが、厚みを過度に小さくすると、電池性能、特に容量の低下を招くおそれがあるため、０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。一方、厚みを過度に大きくすると、折りたたみ式電池用シート１０を、精度良く折りたたむことが困難となる場合がある。また電池のコンパクト化の観点からは、電解質層１２ａの厚みは、小さい方が好ましい。例えば、電解質層１２ａの厚みは、３ｍｍ以下とすることが好ましい。

【0036】

また、電解質部１２の貫通孔Ｈ内には、セパレータが埋め込まれていてもよい。
上述したように、電解質部１２の貫通孔Ｈは、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたんで電池とした際、イオン伝導を担う要素となる。しかし、折りたたみ後に、電解質部１２を挟んで両側に配置される電極部１３同士（正極層１３Ａと負極層１３Ｂ）がより近接しすぎると、電気的短絡を招くおそれもある。このような観点から、貫通孔Ｈ内にセパレータを埋め込むことが望ましい。貫通孔Ｈ内にセパレータを埋め込むことによって、後述する正極層１３Ａと負極層１３Ｂとを隔離し、かつ、電解質部１２を支持した上で、正極層１３Ａと負極層１３Ｂとの間のイオン伝導性を十分に確保することができる。

【0037】

セパレータの素材としては、多孔質ポリエチレン、多孔質ポリプロピレン、不織布、ポリアミド繊維等を例示できるが、セパレータはこれらの例示に限定されない。

【0038】

電極部１３は、折り曲げ予定線Ｌを挟んで電解質部１２の隣に配置されている。これにより、折り曲げ予定線Ｌに沿って折りたたみ式電池用シート１０を折りたたんだ際、電解質部１２と電極部１３とを重ね合わせることができ、電池を構成できる。

【0039】

電極部１３は、図１Ａ、図１Ｂならびに図２に示すように、シート１１の一面１１ａに設けられた正極層１３Ａと、シート１１の他面１１ｂであって、シート１１を挟んで正極層１３Ａと対向する位置に設けられた負極層１３Ｂと、正極層１３Ａおよび負極層１３Ｂを導通させる導電体１４とを備える。

【0040】

シート１１の一面１１ａに設けられた正極層１３Ａは、折り曲げ予定線Ｌに沿ってシート１１が折り曲げられた際に、シート１１の一面１１ａ側の電解質層１２ａに接するように配置されている。すなわち、シート１１の一面１１ａ側から平面視して、シート１１の一面１１ａ上において、正極層１３Ａと電解質層１２ａが、互い違いとなるよう格子状に設けられている。

【0041】

また、シート１１の他面１１ｂに設けられた負極層１３Ｂは、折り曲げ予定線Ｌに沿ってシート１１が折り曲げられた際に、シート１１の他面１１ｂ側の電解質層１２ａに接するように配置されている。すなわち、シート１１の他面１１ｂ側から平面視して、シート１１の他面１１ｂ上において、負極層１３Ｂと電解質層１２ａが、互い違いとなるよう格子状に設けられている。

【0042】

正極層１３Ａは、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたみ電池となした場合、正極となる要素である。したがって、正極層１３Ａとしては、一般的な正極材料として用いられているものであれば、いずれも適用可能である。例えば、折りたたみ式電池用シート１０を金属空気電池に適用するのであれば、正極層１３Ａは、空気極（酸素極）となり、その場合の正極層１３Ａの材料としては、還元反応を促進する白金担持炭素材料（白金担持カーボン）、鉄フタロシアニン担持炭素材料、酸化マンガン担持炭素材料などを例示できる。

【0043】

負極層１３Ｂは、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたみ電池となした場合、負極となる要素である。したがって、負極層１３Ｂとしては、一般的な負極材料として用いられているものであれば、いずれも適用可能である。例えば、折りたたみ式電池用シート１０を金属空気電池に適用するのであれば、負極層１３Ｂとしては、亜鉛、マンガン、リチウムなどの金属単体、これらの合金、もしくはこれらの金属酸化物が例示できる。

【0044】

正極層１３Ａおよび負極層１３Ｂの形態も特に限定されない。正極層１３Ａおよび負極層１３Ｂは、ペースト状の正極材料、負極材料をシート１１上に塗布して形成されてもよいし、インクジェット塗布装置などを用いて正極材料、負極材料の粒子（金属粒子）を塗布することで形成されてもよい。

【0045】

図２に示すように、正極層１３Ａおよび負極層１３Ｂを導通させる導電体１４がシート１１を貫通するように設けられている。すなわち、シート１１の一面１１ａに設けられた正極層１３Ａと、他面１１ｂに形成された負極層１３Ｂは、シート１１に設けられた導電体１４を介して、重ね合うよう設けられている。

【0046】

導電体１４は、折りたたみ式電池用シート１０を折りたたみ電池となした場合、シート１１を挟んで重なり合う正極層１３Ａと負極層１３Ｂを導通させるとともに、両者を支持する要素である。よって、導電体１４としては、電子伝導性を有する材料であればいずれでもよく、例えば、カーボン、金属、導電性高分子などを例示できる。

【0047】

また、導電体１４の形態は特に限定せず、導電体１４やシート１１の材質、正極層１３Ａおよび負極層１３Ｂの形態や材質などに応じて、適宜、決定してよい。例えば、導電体１４としてカーボンを用いる場合、導電体１４の形態は、インク状（カーボンインク）であってもよいし、プレート状（カーボンプレート）でもよい。導電体１４として、カーボンインクを用いる場合は、例えば、キャスト法を用い、カーボンインクをシート１１上の両面に貫通するように塗布し、その後、乾燥させることで導電体１４を形成することができる。また、導電体１４として、カーボンプレートを用いる場合は、例えば、予め所望のサイズに切り出しておいたカーボンプレートを、シート１１を貫通するよう配置することで導電体１４を形成することができる。

【0048】

［折りたたみ式電池］
図３に、本実施形態に係る折りたたみ電池１を示す。
図３に示すように、折りたたみ電池１は、上述した折りたたみ式電池用シート１０からなり、折りたたみ式電池用シート１０を折り曲げ予定線Ｌに沿って折りたたむことで得ることができる。
なお、図３には説明の便宜上、１セル分しか図示していないが、実際には、シート１１上には複数の電池要素（電解質部１２と電極部１３）が配置されている。そのため、折りたたみ式電池用シート１０を折り曲げ予定線Ｌに沿って折りたたむことで、多層の直列繋ぎが実現される。

【0049】

［折りたたみ式電池の製造方法］
本実施形態に係る折りたたみ電池１は、上述した折りたたみ式電池用シート１０を用いて、電極部１３と電解質部１２とが接するよう、折り曲げ予定線Ｌに沿ってシート１１が折り曲げることで得ることができる。
具体的には、まず、折りたたみ式電池用シート１０に対し、折り曲げ予定線Ｌに沿って、山折りと谷折りが交互となるように折り目を入れ、さらに、正極層１３Ａと負極層１３Ｂが電解質層１２ａを介して重なりあうように当該折り目に沿ってシート１１を折りたたむ。すなわち、折り曲げ予定線Ｌに沿ってシート１１を折り曲げる際、正極層１３Ａがシート１１の一面１１ａ側の電解質層１２ａに接するよう折り曲げ、かつ負極層１３Ｂがシート１１の他面１１ｂ側の電解質層１２ａに接するよう折り曲げることで、図３に示すような折りたたみ電池１を製造することができる。

【0050】

また、折りたたみ式電池用シート１０の折りたたみ方として、図１Ａおよび図１Ｂに示すようないわゆる「蛇腹折り」の他に、例えば、いわゆる「ミウラ折り」を適用することも可能である。

【0051】

図１Ａに示す蛇腹折りと、ミウラ折りとの違いは、折り曲げ予定線の設定方法にある。
図１Ａの蛇腹折りでは、折りたたみ予定線Ｌが、相互に平行となるように設定され、かつ、折りたたみ予定線Ｌで囲まれた領域を１マスとすると、各マスが矩形となる。一方、ミウラ折りの場合、折りたたみ予定線は、ジグザグな線であり、各マスが平行四辺形となる。ミウラ折りを適用する場合であっても、電解質部や電極部の構成要素の配置は、図１Ａと同様としてよい。

【0052】

このようなミウラ折りは、対角線の部分を押すだけで、折りたたむことできる方法であるため、簡便に折りたたみ電池を製造することができる。

【0053】

［実施形態の変形例］
上述した実施形態では、１枚の折りたたみ式電池用シート１０を用いた折りたたみ電池１について説明したが、これに限らず、折りたたみ式電池用シートを２枚以上用いた折りたたみ電池としてもよい。

【0054】

図４Ａ（ａ）は、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シート１０Ａを構成する電極部用シート１１Ａを、一面側から見た斜視図である。図４Ａ（ｂ）は、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート１０Ａを構成する電極部用シート１１Ａを、他面側から見た斜視図である。図４Ｂ（ａ）は、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シート１０Ａを構成する電解質部用シート１１Ｂを、一面側から見た斜視図である。図４Ｂ（ｂ）は、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート１０Ａを構成する電解質部用シート１１Ｂを、他面側から見た斜視図である。また、図４Ｃは、電極部用シート１１Ａと電解質部用シート１１Ｂを重ね合わせた状態の断面模式図である。
なお、図１Ａに示す本実施形態の折りたたみ式電池用シート１０と共通の構成及び要素については同じ符号を付し、詳細については説明を省略する。

【0055】

本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シート１０Ａは、図４Ａに示すような、一面１１Ａａ及び他面１１Ａｂを有し、相互に平行な複数の電極部用折り曲げ予定線Ｍが設定された電極部用シート１１Ａと、図４Ｂに示すような、一面１１Ｂａ及び他面１１Ｂｂを有し、相互に平行な複数の電解質部用折り曲げ予定線Ｎが設定された電解質部用シート１１Ｂを有する。

【0056】

また、折りたたみ式電池用シート１０Ａは、電解質部用シート１１Ｂの一面１１Ｂａ上であって、電解質部用折り曲げ予定線Ｎの両側に配置された複数の電解質部２２を有する。電解質部２２は、電解質部用シート１１Ｂの一面１１Ｂａ上に形成されるとともに、電解質部用折り曲げ予定線Ｎ上で一体化された電解質層２２ａを有する。すなわち、電解質部２２は、電解質部用折り曲げ予定線Ｎを跨ぐように設けられているとともに、電解質部用折り曲げ予定線Ｎ上で一体化している。なお、図４Ｂ（ｂ）に示すように、電解質部用シート１１Ｂの他面１１Ｂｂ上には、電解質部２２は形成されない。

【0057】

電解質層２２ａの具体的な材料および形態は、上記本実施形態の折りたたみ式電池用シート１０における電解質層１２ａと同様としてよい。

【0058】

本変形例においても、電解質部２２は貫通孔を有してもよい。この場合、貫通孔は、電解質部用シート１１Ｂの一面１１Ｂａと他面１１Ｂｂとの間に設けられてよい。本変形例において貫通孔を設ける場合、その配置位置は、電解質部用シート１１Ｂの一面１１Ｂａと他面１１Ｂｂとの間であれば、いずれでもよい。

【0059】

また、折りたたみ式電池用シート１０Ａは、電極部用シート１１Ａの一面１１Ａａ及び他面１１Ａｂ上であって、電極部用折り曲げ予定線Ｍ同士の間に配置された複数の電極部１３を有する。
複数の電極部１３は、電極部用シート１１Ａの両面に、平面視で格子状の配列となるように設けられた複数の正極層１３Ａおよび複数の負極層１３Ｂと、電極部用シート１１Ａを貫通して正極層１３Ａおよび負極層１３Ｂを導通させる導電体１４と、を有する。

【0060】

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、複数の正極層１３Ａは、電極部用折り曲げ予定線Ｍに沿って配列されている。複数の負極層１３Ｂは、電極部用折り曲げ予定線Ｍを挟んで、複数の正極層１３Ａの列と隣り合うように配列されている。すなわち、正極層１３Ａの列と、負極層１３Ｂの列が、電極部用折り曲げ予定線Ｍに直交する方向（図４Ａにおいて左右方向）において、交互に配列されている。

【0061】

また、正極層１３Ａと負極層１３Ｂは、電極部用シート１１Ａを挟んで互いに対向する位置となるよう、設けられている。例えば、電極部用シート１１Ａの一面１１Ａａ側の正極層１３Ａの電極部用シート１１Ａを挟んだ反対側（他面１１Ａｂ側）には、負極層１３Ｂが設けられる。つまり、電極部用シート１１Ａを挟んで、正極層１３Ａと負極層１３Ｂが対となるように設けられている。

【0062】

図４Ｃ（ａ）に、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池用シート１０Ａを構成する電極部用シート１１Ａと電解質部用シート１１Ｂの重ね合わせの配置例を示す。また、図４Ｃ（ｂ）に、本実施形態の変形例である折りたたみ式電池１Ａの模式図を示す。
図４Ｃ（ａ）、（ｂ）に示すように、折りたたみ電池１Ａは、上述した電極部用シート１１Ａおよび電解質部用シート１１Ｂを有する折りたたみ式電池用シート１０Ａからなる。すなわち、折りたたみ電池１Ａは、少なくとも１枚以上の電極部用シート１１Ａと２枚以上の電解質部用シート１１Ｂとを重ね合わせ、各折り曲げ予定線Ｍ、Ｎに沿って折りたたむことで得ることができる。
なお、図４Ｃ（ａ）、（ｂ）には説明の便宜上、３セル分しか図示していないが、実際には、各シート上には複数の電池要素が配置されている。そのため、電極部用シート１１Ａおよび電解質部用シート１１Ｂ重ね合わせ、さらに折りたたむことで、多層の直列繋ぎが実現される。

【0063】

本実施形態の変形例に係る折りたたみ電池１Ａは、図４Ｃ（ａ）に示すように、まず、電極部１３と電解質部２２が接するように、電極部用シート１１Ａの両面それぞれに電解質部用シート１１Ｂを重ね合わせる。次いで、電極部用シート１１Ａ上の隣り合う電極部１３（すなわち正極層１３Ａと負極層１３Ｂ）が、電解質部用シート１１Ｂ上の電解質部２２を介して対向するように電極部用折り曲げ予定線Ｍおよび電解質部用折り曲げ予定線Ｎに沿って各シートを折り曲げる。こうすることで、折りたたみ電池１Ａとなすことができる。

【0064】

以上、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート１０ならびに変形例である折りたたみ式電池用シート１０Ａの構成を説明したが、これらのような構成によれば、電池としての各要素を非接触状態で保管できる。そのため、電池として使用開始する直前まで電池性能を劣化させることなく、長期間の保管が可能となる。また、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート１０によれば、シート上に電池の各要素が適切に配置されているため、電池として利用する時に折りたたむだけで、電池を簡便に製造することができる。また、シート上の各電池要素を適切な配置パターンとすることで、多層の直列繋ぎを達成することができ、その結果、高電圧の電池を得ることが可能になる。
さらに、本実施形態の折りたたみ式電池用シート１０もしくは折りたたみ式電池用シート１０Ａを用いて電池を形成する場合、少なくとも、１対の電極部と１つの電解質部の合計３要素を重ね合わせることで１セルを形成できる。そのため、従来の積層型電池（例えば、１セルあたり５要素を必要とする濃淡電池）に比べ、１セルあたりの厚みが小さなコンパクトな電池を実現できる。さらに、本実施形態によれば、電解質に濃淡を付与する必要も無いため、より簡易的に折りたたみ式電池を製造できる。

【0065】

また、本実施形態に係る折りたたみ式電池用シート１０ならびに変形例である折りたたみ式電池用シート１０Ａを用いれば、略平面構造であるシートの状態から立体構造の電池を作り出すことができる。すなわち、電池として使用するまでは、シートとして保管しておけばよいため、保管スペースの削減も期待できる。

【0066】

以上説明した本実施形態およびその変形例である折りたたみ式電池用シートは、各種の電池に適用できる。例えば、本実施形態およびその変形例である折りたたみ式電池用シートは、金属空気電池、燃料電池、ボルタ電池、金属イオン電池（リチウムイオン電池等）などに用いることでき、その場合は、シート上に配置する各電池要素の材料を、各種電池に応じて、適宜、選択すればよい。

【0067】

なお、上述した本実施形態およびその変形例においては、電解質部１２のシート１１上に貫通孔を設けずに、セパレータのみを設ける形態としてもよい。

【実施例】

【0068】

以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に制約されるものではない。

【0069】

シートとして、厚み１００μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルムを用い、図１Ａ及び図１Ｂに示す配置パターンとなるよう、導電体、電解質部、空気極（正極部）および金属極（負極部）を形成し、折りたたみ式電池用シートした。なお、隣り合う折り曲げ予定線Ｌの間隔は１０ｍｍとした。

【0070】

導電体は、カーボンインクをシート両面に、およそφ８ｍｍとなるよう塗布し、その後１２０℃で１時間加熱乾燥して複数の導電体を形成した。なお、カーボンインクは、シート上に設けられた貫通孔（φ２ｍｍ）を挟むよう、シート両面に塗布した。

【0071】

また、水酸化カリウム（濃度：０．１ｍоｌ／Ｌ）とゲル化剤とラジカル開始剤との混合物（ｐＨ１３）用い、約φ８ｍｍとなるようシート上に塗布して電解質部を形成した。具体的には、まず、ゲル化剤としては、ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート（数平均分子量Ｍｎ：７５０、重合度：１７、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社製）を用い、当該ゲル化剤と前述の水酸化カリウムの混合物を作製した。次に、ゲル化剤と水酸化カリウムの混合物に対し、１ｖｏｌ％のラジカル開始剤（２－ヒドロキシ－２－メチルプロピオフェノン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ社製））を添加して混合し、さらに、当該混合物に対して３６５ｎｍの光照射装置（ＳＬＵＶ－４、アズワン株式会社製）を用いて約７５０μＷ／ｃｍ^２の光強度で光照射することで硬化させて電解質部を作製した。
また、ペースト状の白金担持炭素材料（白金担持カーボン）と、亜鉛粒子をφ８ｍｍとなるよう塗布し、その後１２０℃で２時間加熱乾燥させることで空気極および金属極をそれぞれ形成した。
なお、電解質部、空気極および金属極はすべて、厚み１００μｍ～２００μｍの範囲とした。また、導電体および電解質部内のシート上には、寸法がφ２ｍｍの貫通孔を設けることで、それぞれ電気伝導性・イオン伝導性を確保した。

【0072】

得られた折りたたみ式電池用シートを折り曲げ予定線Ｌに沿って折りたたみ、計３セルが直列に繋がれた電池（金属空気電池）を製造した。得られた電池の各スタックを評価した。

【0073】

図６Ａに、各スタックの合計電圧、図６Ｂに各スタックの１セル毎の平均電圧（合計電圧／セル数）を示す。図６Ａに示すように、セル数（積層数）が増加するほど電圧が増大し、セル数が３の場合（３スタック時）の合計電圧は３．１７Ｖであった。また、図６Ｂに示すように、セル数が増加しても、１セルあたりの電圧はほぼ一定ものが得られた。また、セル数が３の場合（３スタック時）について、６８０Ωの抵抗につないで電流を測定したところ、３０μＡの電流が流れることが確認できた。

【符号の説明】

【0074】

１…折りたたみ電池
１０、１０Ａ…折りたたみ式電池用シート
１１…シート
１１Ａ…電極部用シート
１１Ｂ…電解質部用シート
１１ａ、１１Ａａ、１１Ｂａ…一面
１１ｂ、１１Ａｂ、１１Ｂｂ…他面
１２、２２…電解質部
１２ａ、２２ａ…電解質層
１３…電極部
１３Ａ…正極層
１３Ｂ…負極層
１４…導電体
Ｌ…折り曲げ予定線
Ｍ…電極部用折り曲げ予定線
Ｎ…電解質部用折り曲げ予定
Ｈ…貫通孔

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】