Биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея
Изобретение относится к конструкциям биосовместимых аккумуляторных батарей. Технический результат - увеличение срока службы и повышение надежности. Перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею в форме узла одно- или многовитковой проволоки можно использовать в качестве источника энергии для любого количества имплантируемых или неимплантируемых медицинских устройств. Поскольку аккумуляторная батарея в форме проволоки допускает масштабирование до микроразмеров, ее можно использовать для запитывания медицинских устройств, которые традиционно не являлись активными устройствами, но которые могут быть улучшены с использованием активных компонентов. Аккумуляторную батарею в форме проволоки можно уменьшить до размера, необходимого для конкретного приложения, что позволяет сохранить то же напряжение холостого хода независимо от итоговой конфигурации проволоки и длины используемой проволоки. Хотя аккумуляторная батарея имеет форму проволоки, также возможны различные способы размещения компонентов в аккумуляторной батарее. 8 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к перезаряжаемой электрохимической аккумуляторной батарее и более конкретно относится к биосовместимой перезаряжаемой электрохимической аккумуляторной батарее, выполненной в виде проволоки, для запитывания устройства, предназначенного для имплантации в живой организм или в непосредственной близости от него, а также любого другого устройства, требующего нетрадиционных форм аккумуляторной батареи.
2. Описание смежной области
В последнее время наблюдается резкий рост числа имплантируемых медицинских устройств. Например, за последнее десятилетие многократно возросло применение стентов, стентов, выделяющих лекарственный препарат, кардиостимуляторов, дефибрилляторов, вспомогательных желудочковых систем, инфузионных помп для глюкозы и нейростимуляторов. Некоторые из перечисленных выше примеров, а также ряд других имплантируемых и/или неимплантируемых медицинских устройств представляют собой активные устройства, для работы которых необходимы источники энергии. К источникам энергии или аккумуляторным батареям, которые используют совместно с имплантируемыми или неимплантируемыми медицинскими устройствами, как правило, предъявляются жесткие требования относительно физических размеров и характеристик. Аккумуляторные батареи предыдущего поколения, которые были разработаны для имплантируемых медицинских устройств, представляли собой более крупные устройства с относительно коротким сроком службы. Однако с распространением миниатюрных имплантируемых медицинских устройств для таких разнообразных приложений, как доставка лекарственных средств, измерение и контроль уровня глюкозы и нейростимуляция, необходимы аккумуляторные батареи, способные обеспечивать подходящий уровень энергии и занимающие еще меньший объем. Помимо небольшого размера предназначенная для имплантации аккумуляторная батарея также предпочтительно должна иметь подходящий срок службы, несущественно малые скорости саморазряда, высокую надежность в течение продолжительного периода времени, а также быть совместимой с химической средой в организме пациента. Иными словами, она должна быть настолько биосовместима, насколько это возможно. Для соблюдения этого требования можно использовать биосовместимые покрытия и/или герметично закрывающие материалы.
Определенные типы используемых в аккумуляторных батареях химических систем, например, литиевые химические системы, нуждаются в герметизации аккумуляторной батареи; однако герметичная упаковка может затруднить получение нетрадиционных конструктивных решений. Таким образом, для устранения необходимости в герметизации аккумуляторной батареи можно использовать другие химические системы.
Устройства, кратко описанные выше, считаются включающими в себя некоторые из более традиционных запитываемых энергией или потребляющих энергию имплантируемых устройств. В последнее время были высказаны предположения о возможности встраивания активных компонентов или потребляющих энергию компонентов в состав устройств, традиционно считающихся пассивными. Например, контактные линзы обеспечивали выполнение функции корректировки зрения путем использования светопреломляющих свойств линзы. Кроме того, в контактных линзах можно использовать свойство изменения пигментации для достижения косметических улучшений или в состав линзы можно ввести терапевтические средства и/или лекарственные средства для обеспечения функций терапевтического устройства. Эти характеристики можно достичь в пассивном устройстве без запитывания контактной линзы энергией. Другим работающим в пассивном режиме устройством является пробка для слезной точки, которая используется для облегчения синдрома сухого глаза путем замедления ухода слезной жидкости через слезную точку. Однако, как указано выше, высказывались предположения о возможности введения активных компонентов в состав устройств, традиционно считающихся пассивными, таких как контактные линзы и/или пробки для слезной точки. Например, активный компонент контактной линзы может обеспечить возможность изменения оптической силы линзы. Кроме того, пробка для слезной точки может содержать микроразмерный насос для введения терапевтического средства. В настоящем документе пробка для слезной точки относится к устройству, форма и размер которого подходят для того, чтобы вводить его в нижний или верхний слезный каналец глаза через нижнюю или верхнюю слезную точку соответственно.
Таким образом, существует необходимость в хранении энергии в аккумуляторных батареях, которые совместимы с требованиями к размерам и форме этих устройств, а также с потребностями в энергии этих новых активных компонентов. Эти миниатюрные или микроразмерные аккумуляторные батареи должны обеспечивать подходящий уровень энергии на выходе, быть способны заряжаться с приемлемой скоростью, иметь подходящий жизненный цикл, быть способными продолжительное время работать в режиме глубокого разряда и по существу защищать себя от опасности утечки электролита.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Биосовместимая перезаряжаемая электрохимическая аккумуляторная батарея, составляющая предмет настоящего изобретения, преодолевает ряд недостатков, связанных с используемыми в настоящее время аккумуляторными батареями для имплантируемых и/или неимплантируемых медицинских устройств, а также устройствами немедицинского применения.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного токосъемника, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного слоя, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, катодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит по меньшей мере один анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, по меньшей мере один катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, причем по меньшей мере один катодный токосъемник расположен смежно по меньшей мере с одним анодным токосъемником и находится на заданном расстоянии от него, причем каждый из по меньшей мере одного анодного токосъемника и по меньшей мере одного катодного токосъемника выполнены в виде пар, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного анодного токосъемника, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного катодного токосъемника, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг некоторой части как анодного слоя, так и катодного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного токосъемника, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного слоя, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между катодным слоем и анодным слоем, анодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между катодным слоем и анодным слоем.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к устройству, включающему в себя электрохимический элемент аккумуляторной батареи. Устройство содержит запитываемый энергией компонент, имеющий по меньшей мере один набор положительных и отрицательных электрических контактов, и электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки, расположенный внутри или на поверхности запитываемого энергией компонента, причем электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки имеет анодный токосъемник и катодный токосъемник, взаимно соединенные по меньшей мере с одним набором положительных и отрицательных электрических контактов, тем самым образуя замкнутую схему.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к скрытому электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Скрытый электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного токосъемника, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного слоя, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, катодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к скрытому электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Скрытый электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного токосъемника, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного слоя, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между катодным слоем и анодным слоем, анодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части внешнего слоя, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между катодным слоем и анодным слоем.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к электрохимическому элементу аккумуляторной батареи. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи содержит по меньшей мере один анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, по меньшей мере один катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, причем по меньшей мере один катодный токосъемник расположен смежно по меньшей мере с одним анодным токосъемником и находится на заданном расстоянии от него, причем каждый из по меньшей мере одного анодного токосъемника и по меньшей мере одного катодного токосъемника выполнены в виде пар, анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного анодного токосъемника, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного катодного токосъемника, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, разделительный слой, образованный и расположенный вокруг некоторой части как анодного слоя, так и катодного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем, и электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к способу образования электрохимического элемента для применения с устройством. Способ образования электрохимического элемента для применения с устройством содержит этапы, на которых вытягивают отрезок электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки из бухты электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки, причем электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки содержит анодный токосъемник и катодный токосъемник, отделяют заданный отрезок электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки заданной длины от бухты электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки, открывают части как анодного токосъемника, так и катодного токосъемника для установления электрического контакта с запитываемым устройством, и укладывают электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки в заданную форму для использования с запитываемым устройством.
Биосовместимая перезаряжаемая электрохимическая аккумуляторная батарея, составляющая предмет настоящего изобретения, имеет форму проволоки. Проволочная аккумуляторная батарея разработана для использования внутри или в непосредственной близости от тела живого организма и представляет собой микроминиатюрную, простую в использовании, гибкую и недорогую перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею, которая обеспечивает надежный и стабильный источник энергии для любого ряда связанных с организмом приложений. Биосовместимую перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею, составляющую предмет настоящего изобретения, также можно использовать в любом ряду других подходящих приложений, требующих нетрадиционных факторов формы и микроминиатюрных размеров, например, в умных кредитных картах или активных RFID-метках. Аккумуляторную батарею можно укоротить до размера, необходимого для конкретного приложения, с сохранением того же напряжения холостого хода независимо от итоговой конфигурации проволоки и длины используемой проволоки. Более того, при заданной длине отрезка аккумуляторной батареи можно выбрать различные размеры сечения для оптимизации различных рабочих характеристик батареи под конкретное приложение, например, для получения большей емкости.
Традиционные аккумуляторные батареи имеют небольшое отношение длины к диаметру, обычно называемое коэффициентом пропорциональности (например, аккумуляторная батарея типа AA имеет коэффициент пропорциональности приблизительно 3,7, а аккумуляторная батарея типа AAA имеет коэффициент пропорциональности приблизительно 4,7), тогда как аккумуляторная батарея в форме проволоки, составляющая предмет настоящего изобретения, может иметь очень большое отношение длины к диаметру, по порядку величины значительно превышающее десять к одному. Следует понимать, что коэффициенты пропорциональности являются относительными величинами. Это может оказаться особенно большим преимуществом в тех случаях, когда фактор формы является ограничивающим параметром для конструкции устройства. Например, аккумуляторную батарею в форме проволоки, составляющую предмет настоящего изобретения, можно использовать для питания широкого диапазона устройств, включая контактные линзы, имеющие активные компоненты, пробки для слезной точки, имеющие активные компоненты, интраокулярные линзы, имеющие активные компоненты, или стенты, имеющие активные компоненты, для введения терапевтических средств или ускорения заживления. В определенных из этих приложений может потребоваться использовать короткий отрезок проволоки в силу накладываемых устройством ограничений на размер; таким образом, коэффициент пропорциональности может быть снижен.
Традиционная щелочная аккумуляторная батарея имеет конструкцию типа провод-оболочка, как например, «стакан» батареи типа AA, или конструкцию типа верх-низ, как, например, часовые батареи. В других аккумуляторных батареях типа «стакан» используется конструкция типа «рулет» из свернутой многослойной структуры для увеличения площади поверхности материалов, на которой может протекать электрохимическая реакция. Аккумуляторная батарея в форме проволоки, составляющая предмет настоящего изобретения, позволяет получить большее отношение площади поверхности (разделителя) к объему (активных материалов), чем любая из описанных выше традиционных конструкций. Это может позволить получить высокие характеристики скорости разряда и заряда, несмотря на малые собственные размеры аккумуляторной батареи. В традиционной аккумуляторной батарее емкость определяется в виде стандартного размера аккумуляторной батареи, тогда как в случае проволочной аккумуляторной батареи емкость определяется в виде линейной плотности энергии, т.е. микроампер-час/мин.
Традиционная аккумуляторная батарея представляет собой металлический стакан, который обжимается для образования закрытого контейнера, содержащего полимерные отверстия для обеспечения возможности выхода образующихся газов. В случае использования химической системы щелочной перезаряжаемой батареи в традиционной аккумуляторной батарее может потребоваться применение определенных катализаторов рекомбинации газов для предотвращения разрыва металлического стакана. Кроме того, некоторые традиционные и перезаряжаемые щелочные аккумуляторные батареи требуют применения специального цинкового сплава для аккумуляторных батарей, который одновременно должен иметь высокую чистоту и быть способен снижать скорость побочной реакции с цинком и водой, приводящей к выделению газообразного водорода, которая может привести к утечке или разрыву стакана батареи. До принятия действующих в настоящее время норм по защите окружающей среды вместо цинковых сплавов для аккумуляторных батарей использовалась ртуть. Аккумуляторная батарея в форме проволоки, составляющая предмет настоящего изобретения, не имеет корпуса типа «стакан» и по существу открыта для окружающей среды для обмена как влагой, так и газами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеизложенные и прочие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут понятны после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных с помощью прилагаемых чертежей.
На фиг. 1 представлен вид в частичном разрезе в сечении примера осуществления биосовместимой однопроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 схематически представлена упрощенная схема с использованием биосовместимой однопроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 представлен вид в частичном разрезе в сечении альтернативного примера осуществления биосовместимой двухпроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 схематически представлена упрощенная схема с использованием примера осуществления биосовместимой двухпроволочной аккумуляторной батареи в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 5 схематически представлена упрощенная схема с использованием примера осуществления биосовместимой двухпроволочной аккумуляторной батареи в антипараллельной конфигурации в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 6 схематически представлена упрощенная схема с использованием примера осуществления биосовместимой многопроволочной аккумуляторной батареи в параллельной конфигурации с последовательным соединением смежных электрохимических элементов в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Аккумуляторная батарея, элемент аккумуляторной батареи или электрохимический элемент представляет собой устройство, в котором химическая энергия, содержащаяся в составляющих аккумуляторную батарею материалах, непосредственно преобразовывается в электрическую энергию путем электрохимической окислительно-восстановительной реакции. Эти аккумуляторные батареи, элементы аккумуляторной батареи или электрохимические элементы можно в широком смысле разделить на первичные аккумуляторные батареи, которые предназначены и оптимизированы для проведения только одного цикла разряда, неперезаряжаемые, и вторичные аккумуляторные батареи, которые можно перезаряжать путем обращения окислительно-восстановительной реакции. Первичные аккумуляторные батареи обладают рядом преимуществ, включая большой срок хранения, высокую плотность энергии при скоростях разряда от низкой до умеренной, неприхотливость и простоту использования. Вторичные аккумуляторные батареи также имеют ряд преимуществ, включая высокую плотность энергии, высокую скорость разряда, плоские кривые разряда и хорошие характеристики при низких температурах в дополнение к их способности к перезарядке. Вторичная аккумуляторная батарея, как правило, имеет худшее сохранение заряда по сравнению с первичной аккумуляторной батареей; однако этот недостаток компенсируется возможностью перезарядки вторичной аккумуляторной батареи. Для простоты описания при применении настоящем документе термин «аккумуляторная батарея» используется для обозначения устройства, содержащего один электрохимический элемент или множество электрохимических элементов, соединенных параллельно или последовательно в зависимости от необходимого выходного напряжения и емкости.
Третий тип аккумуляторной батареи представляет собой резервную аккумуляторную батарею. В аккумуляторной батарее этого типа один из сегментов батареи до активации отделен от остальных компонентов. Поскольку до активации такого устройства химические реакции в нем не протекают, аккумуляторная батарея этого типа имеет большой срок хранения.
Элемент аккумуляторной батареи или электрохимический элемент содержит три основных компонента, а именно: анод (отрицательный электрод), катод (положительный электрод) и электролит (ионный проводник). Анод представляет собой топливный электрод, который отдает электроны во внешнюю схему или нагрузку и окисляется в ходе электрохимической реакции. Материал анода предпочтительно должен иметь высокую эффективность как восстановитель, высокий выход заряда (А-ч/г), хорошую электропроводность, хорошую стабильность, быть простым в обработке и недорогим. Если планируется использование аккумуляторной батареи внутри тела, материал анода предпочтительно должен быть настолько биосовместимым, насколько это возможно, или защищенным от непосредственного контакта с телом. Катод представляет собой окисляющий электрод, который принимает электроны из внешней схемы или нагрузки и восстанавливается в ходе электрохимической реакции. Материал катода предпочтительно должен иметь высокую эффективность как окислитель, быть стабильным при контакте с электролитом и обеспечивать полезное для использования рабочее напряжение. Если планируется использование аккумуляторной батареи внутри тела, материал катода, как и анода, предпочтительно должен быть настолько биосовместимым, насколько это возможно, или защищенным от непосредственного контакта с телом. Электролит представляет собой материал, который обеспечивает среду для переноса заряда, в виде ионов, в электрохимическом элементе между анодом и катодом. Материал электролита предпочтительно должен иметь хорошую ионную проводимость, не обладая при этом электронной проводимостью, быть электрохимически стабильным, не вступать в реакции с материалами электродов, мало менять свои свойства при изменении температуры, быть безопасным в работе и недорогим. Типичные электролиты представляют собой водные растворы или полимерные гели, однако они также могут содержать другие материалы и формы, такие как твердые полимерные электролиты. Как и описано выше, в случае планирования использования аккумуляторной батареи внутри тела электролит должен быть настолько биосовместимым, насколько это возможно, или защищенным от непосредственного контакта с телом.
Электрохимическому элементу можно придать любой подходящий размер, форму и/или конфигурацию, совместимые с его конечным применением. Анод и катод электрически изолированы друг от друга в электрохимическом элементе для защиты от короткого замыкания, но по меньшей мере частично смочены электролитом. Таким образом, для физического отделения анода от катода используется проницаемый для электролита разделитель. По существу конструкция и конфигурация компонентов электрохимического элемента разрабатывается с учетом возможности придания элементу необходимой формы. Электрохимические элементы могут быть герметичными для предотвращения и/или контроля утечек и также могут содержать отверстия, позволяющие выходить накапливающимся газам. Для получения готового к использованию электрохимического элемента по существу необходимы подходящие средства для присоединения выводов.
Работа электрохимического элемента в режиме разряда протекает следующим образом. При присоединении электрохимического элемента к внешней схеме или нагрузке электроны текут от анода, который при этом окисляется, через внешнюю схему или нагрузку, в катод, который принимает электроны и при этом восстанавливается. Замыкание электрической схемы происходит в электролите, в котором анионы, или отрицательно заряженные ионы, текут от катода к аноду, а катионы, или положительно заряженные ионы, текут от анода к катоду. Работа электрохимического элемента в режиме заряда протекает следующим образом. К электродам вместо внешней схеме присоединяется источник питания, и электроны текут к аноду, который теперь представляет собой катод реакции. По существу реакция обращается, анод становится катодом, катод становится анодом, и направления течения анионов и катионов меняются на обратные. Следует отметить, что существуют различные схемы заряда, например, заряд при постоянном напряжении, заряд при постоянном токе и затем при постоянном напряжении, импульсный заряд и т. п. Реакции, протекающие как в режиме разряда, так и в режиме заряда, можно представить в простом виде как стандартную электрохимическую окислительно-восстановительную реакцию, протекание которой зависит от материалов, из которых изготовлен анод и катод. Как более подробно описано ниже, использование различных материалов в качестве электродов позволяет получить различные напряжения и емкости.
Выбор материалов анода и катода определяет теоретические значения напряжения и емкости электрохимического элемента. Максимальная энергия, которую может отдать электрохимический элемент, определяется типом используемых активных материалов и количеством используемых активных материалов. На практике оказывается возможным достичь только части теоретической энергии электрохимического элемента, что обусловлено рядом факторов, включая вес и объем нереакционноспособных компонентов, тем фактом, что разряд электрохимического элемента не протекает при теоретическом напряжении, что приводит к снижению среднего напряжения, и тем фактом, что электрохимический элемент не разряжается полностью до нуля вольт, что приводит к снижению отдаваемых в нагрузку ампер-часов. Кроме того, в практически достижимом электрохимическом элементе активные материалы не расходуются строго в стехиометрических соотношениях, что приводит к снижению энергии, поскольку в химической реакции используется избыточное количество только одного из активных материалов.
В соответствии с одним примером осуществления настоящее изобретение относится к нетрадиционной аккумуляторной батарее или электрохимическому элементу. Более конкретно, в настоящем документе описан пример осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи. Пример осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи разработан для использования внутри или в непосредственной близости от тела живого организма и предпочтительно представляет собой микроминиатюрную, простую в использовании, гибкую и недорогую перезаряжаемую электрохимическую аккумуляторную батарею, которая обеспечивает надежный и стабильный источник энергии для любого ряда связанных с организмом приложений, а также не связанных с организмом приложений. Хотя описанные в настоящем документе предпочтительные примеры осуществления относятся к имплантируемым устройствам, проволочную аккумуляторную батарею можно использовать в любом количестве приложений. Кроме того, поскольку аккумуляторная батарея имеет форму проволоки, ее можно укоротить до необходимой для конкретного приложения длины при сохранении выходных характеристик независимо от формы, в которую в итоге будет выполнена проволока, и от длины используемой проволоки. По сравнению с традиционными аккумуляторными батареями, которые имеют малый коэффициент пропорциональности (отношение длины к диаметру), аккумуляторные батареи в форме проволоки могут иметь высокий коэффициент пропорциональности, например, существенно более 10:1. В определенных приложениях может потребоваться обрезать проволочную аккумуляторную батарею до малой длины. Другими словами, для соответствия геометрическим требованиям некоторого конкретного приложения может потребоваться уменьшить коэффициент пропорциональности. Это может оказаться особенно большим преимуществом в тех случаях, когда фактор формы является ограничивающим параметром для конструкции устройства. Например, аккумуляторную батарею в форме проволоки, составляющую предмет настоящего изобретения, можно использовать совместно с любым рядом медицинских устройств, требующих электропитания, таких как умные контактные линзы, умные пробки для слезных точек и умные интраокулярные линзы.
Биосовместимые проволочные аккумуляторные батареи, составляющие предмет настоящего изобретения, могут содержать ряд вариаций конструкции. Например, в одном примере осуществления биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея может содержать конфигурацию, в которой анод окружен катодом. В другом примере осуществления биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея может содержать конфигурацию, в которой катод окружен анодом. Другие примеры осуществления могут включать в себя вариации указанных выше конструкций и более подробно описаны ниже. Например, биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея может содержать конфигурацию с одной или более парой анода-катода. Кроме того, для изготовления всех компонентов аккумуляторной батареи можно использовать различные подходящие материалы, как подробно описано в настоящем документе. На фиг. 1 представлен вид в частичном разрезе в сечении одного примера осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи 100 в соответствии с настоящим изобретением.
В примере осуществления, показанном на фиг. 1, основа проволочной аккумуляторной батареи содержит анодный токосъемник 102. Анодный токосъемник 102 может иметь любые подходящие форму, размер и материал в зависимости от применения или приложения аккумуляторной батареи 100. Анодный токосъемник 102 можно изготовить из любого подходящего электропроводного материала или можно изготовить из непроводящей подложки с нанесенным на нее слоем электропроводного материала. Поскольку он может контактировать с телом, анодный токосъемник 102 предпочтительно должен быть сделан максимально биосовместимым или должен быть защищен от прямого контакта с телом любым подходящим способом. В показанном на фигуре примере осуществления анодный токосъемник 102 представляет собой медную проволоку с по существу круговым сечением и диаметром приблизительно 75 (семьдесят пять) микрон. На анодный токосъемник 102 также может быть нанесено покрытие из ограничивающих коррозию или химическую активность материалов, такое как покрытие на основе никеля, золота и/или графита. При использовании покрытия для его нанесения можно использовать любые подходящие и хорошо известные способы. Кроме того, если профиль и/или размер являются критическими ограничивающими факторами конструкции и используется нанесенное покрытие, профиль несущей подложки можно уменьшить в размерах для обеспечения места под дополнительный слой.
В альтернативном примере осуществления анодный токосъемник 102 может представлять собой одиночную нить из углеродного волокна или пучок из множества углеродных нитей. В настоящем документе углеродные материалы или материалы на основе углерода включают в себя все элементарные формы углерода. Количество материала анодного токосъемника предпочтительно должно быть минимально достаточным для обеспечения возможности подходящей обработки и использования конечного продукта. Другими словами, размеры анодного токосъемника 102 выбирают в соответствии с параметрами конструкции, необходимыми для ее конечного использования.
Нити из углеродного волокна в диапазоне размеров, описанном в настоящем документе, доступны в продаже. Например, доступная в продаже одиночная нить из углеродного волокна Panex®35, производство компании Zoltek Companies, Inc., имеет диаметр 7 (семь) микрон. Медные и золотые проволоки, используемые для соединения кристаллов интегральных микросхем, доступны в продаже с диаметрами 25 (двадцать пять) микрон или менее. По существу единственным ограничением на размеры сечения анодного токосъемника 102 является возможность получения необходимых электрических и механических характеристик с использованием подходящего процесса.
Вокруг анодного токосъемника 102 концентрически расположен анодный слой 104. Хотя при применении в настоящем техническом описании термин «концентрически» используется в отношении примера осуществления, показанного на фиг. 1, различные компоненты, описанные в настоящем документе, не обязательно должны быть расположены концентрическим образом. Как описано выше, анодный слой 104 может содержать любой ряд подходящих материалов, выполняющих функцию восстановителей. Примеры анодных материалов включают в себя H2, Li, Na, Mg, Al, Ca, Fe, Zn, Cd, Pb, интеркаляционные соединения лития (например, (Li)C6) и металлогидриды; однако для изготовления анода можно использовать множество других материалов, как известно специалистам в соответствующей области. Анодный слой 104 может иметь любую подходящую конфигурацию, но предпочтительно соответствует форме анодного токосъемника 102 для получения минимальной толщины профиля. Выбор материала анода зависит от ряда факторов, включая электрохимическую активность и совместимость с условиями среды, в которой он будет использоваться. Как указано выше, материал анода предпочтительно должен быть максимально биосовместимым или должен быть защищен от непосредственного контакта с телом. Анодный слой 104 может иметь сплошную структуру, образованную только из анодного материала, или может представлять собой сплошной или пористый композитный материал, содержащий материал анода. Анодный слой 104 можно расположить вокруг анодного токосъемника 102 любым подходящим способом в зависимости от его типа, включая процессы напыления, нанесения проволочного покрытия и нанесения покрытия погружением.
В примере осуществления анодный слой 104 содержит частицы цинка, диспергированные в полимерной матрице. Полимерная матрица анодного слоя 104 может содержать гелеобразующий полимер, такой как полиакриловая кислота или карбоксиметилцеллюлоза; однако эта матрица не обладает механической прочностью; следовательно, она предпочтительно содержит также связующий полимер, например, поли(этиленоксид) или поли(виниловый спирт), в противном случае необходимо использовать упаковку того или иного типа для поддержания и защиты активных материалов, содержащихся в аккумуляторной батарее. Весовой процент частиц цинка в полимерной матрице определяется количеством энергии, которую должна обеспечивать аккумуляторная батарея 100. В цинк/полимерную матрицу также можно добавить и другие материалы. Дополнительные возможности управления физико-химическими свойствами полимерных матриц можно обеспечить за счет поперечной сшивки полимера, такой как ковалентная (химическая) поперечная сшивка или физическая поперечная сшивка полимерных цепей через кристаллиты, ионные кластеры или нерастворимые/иммобилизованные домены отдельной фазы. Материал анодного слоя 104 можно поперечно сшить любым подходящим способом. В примере осуществления практически достижимый верхний предел размера частиц цинка находится в диапазоне приблизительно 30 (тридцать) - 50 (пятьдесят) микрон при среднем размере частиц приблизительно 5 (пять) - 10 (десять) микрон. Более предпочтительно анодный слой 104 примера осуществления содержит цинковую пыль со средним размером частиц приблизительно 3 (три) микрона из материала относительно низкой чистоты, приблизительно 93 (девяносто три) процента, который не является специальным сплавом. Однако могут быть некоторые преимущества и в использовании специальных цинковых сплавов высокой чистоты для аккумуляторных батарей, имеющих распределение частиц по размерам в соответствии с настоящим изобретением. В примере осуществления анодный слой имеет толщину приблизительно 30 (тридцать) микрон; однако толщина может отличаться.
Минимальная практически достижимая толщина анодного слоя 104 определяется распределением частиц цинка по размерам, а также числом слоев наносимого цинксодержащего покрытия. При применении в настоящем документе термин «толщина» означает среднюю толщину в сухом состоянии нанесенного слоя независимо от ее локальных колебаний, например, связанных с наличием комков, пустот и т.п. В примере осуществления минимальная практически достижимая толщина анодного слоя составляет приблизительно 10 (десять) микрон. Нанося последовательно несколько слоев материала анода, можно нарастить соответствующую полную толщину анодного слоя для получения в конечном итоге электрохимического элемента (или аккумуляторной батареи) большей емкости и большего диаметра. Соотношение количеств цинка и инертной полимерной матрицы можно также соответствующим образом изменять или модифицировать для достижения подходящего баланса между расходом электролита, механической прочностью и плотностью энергии. В предпочтительном примере осуществления сухой вес частиц цинка в анодном слое 104 составляет приблизительно от 50 (пятидесяти) до 98 (девяноста восьми) % вес.
Анодный слой 104 также может содержать проводящие углеродные волокна, измельченные проводящие углеродные волокна, углеродные нанопроволоки и/или углеродные нанотрубки. Эти проводящие материалы с высоким коэффициентом пропорциональности могут обеспечить повышенную электрическую целостность анодного слоя 104, которая в противном случае может быть нарушена полимерным связующим веществом и его потенциальным разбуханием в результате поглощения электролита или влаги из окружающей среды. По существу эти материалы могут обеспечить определенные улучшения характеристик, такие как снижение внутреннего сопротивления, увеличение степени использования активных материалов, а также улучшение механических качеств, таких как целостность и простота обращения с материалом. Эти материалы также можно использовать в катодном слое 108, как более подробно описано ниже.
Вокруг анодного слоя 104 концентрически расположен разделительный слой 106. Как и описано выше, разделительный слой не обязательно должен располагаться концентрически со слоями, находящимися под ним или над ним. Разделительный слой 106 создает неэлектропроводный слой между анодным слоем 104 и катодным слоем 108 и более подробно описан ниже. Разделительный слой 106 может содержать любой подходящий неэлектропроводный материал, проницаемый для электролита, который распределен по всей проволочной аккумуляторной батарее 100, как более подробно описано ниже. Разделительный слой 106 может иметь любую подходящую конфигурацию, но предпочтительно соотносится по форме с анодным слоем 104 для получения минимальной толщины профиля. В примере осуществления разделительный слой 106 образован in situ путем нанесения полимерного покрытия на анодный слой 104 с использованием любого подходящего способа, такого как нанесение покрытия погружением, нанесение проволочного покрытия или напыление покрытия. Разделительный слой 106 предпочтительно имеет достаточную толщину для предотвращения короткого замыкания между анодным слоем 104 и катодным слоем 108. В примере осуществления разделительный слой 106 имеет толщину приблизительно 20 (двадцать) микрон; однако толщина может отличаться. Как указано выше, разделительный слой 106 предпочтительно должен быть максимально биосовместимым или должен быть защищен от непосредственного контакта с телом.
Примеры подходящих материалов для разделительного слоя или полимерных разделительных материалов включают в себя смеси поли(этиленоксида) и поли(акриловой кислоты); однако для изготовления разделителя можно использовать множество других материалов, как известно специалистам в соответствующей области. Материал разделителя может быть поперечно сшит любыми подходящими способами. В общем композицию для получения полимерного разделителя готовят таким образом, чтобы иметь в ней компонент, обеспечивающий хорошие пленкообразующие свойства, и дополнительные компоненты, обеспечивающие улучшение функциональных характеристик, таких как ионная проницаемость. Более того, полимерный разделитель может также содержать наполнитель для облегчения изолирования анода 104 от катода 108. Примеры подходящих наполнителей включают в себя оксид алюминия, микрокристаллическую целлюлозу (например, хлопковые линтеры), пирогенный диоксид кремния или любой другой наполнитель с подходящим малым размером частиц, который не является электрически проводящим. Разделительный слой 104 выполняет дополнительную функцию обеспечения резервуара для электролита в аккумуляторной батарее.
Вокруг разделительного слоя 106 концентрически расположен катодный слой 108. Как и описано выше, этот слой не обязательно должен быть расположен концентрически со слоями, находящимися под ним или над ним. Как описано выше, катодный слой 108 может содержать любой ряд подходящих материалов, выполняющих функцию окислителей. Катодные материалы включают в себя O2, Cl2, SO2, MnO2, NiOOH, CuCl, FeS2, AgO, Br2, HgO, Ag2O, PbO2 и I2; однако для изготовления катода можно использовать множество других материалов, как известно специалистам в соответствующей области. Катодный слой 108 может иметь любую подходящую конфигурацию, но предпочтительно соответствует форме разделительного слоя 106 для получения минимальной толщины профиля. В примере осуществления катодный слой 108 образован поверх разделительного слоя 106 с использованием любого подходящего способа, такого как нанесение покрытия погружением, нанесения проволочного покрытия или напыления покрытия. Выбор материала катода, так же как и выбор материала анода, зависит от ряда факторов, включая электрохимическую активность и совместимость с условиями среды, в которой он будет использоваться. В примере осуществления катодный слой 108 содержит Ag2O и/или MnO2 в комбинации с графитом в проницаемом для ионов полимерном связующем веществе или в воде и проницаемом для ионов полимерном связующем веществе, который обеспечивает механическую прочность для возможной работы с материалом и расхода электролита при сохранении хорошей электропроводности и непрерывности с катодным токосъемником 110. Как и описано выше, катодный слой 108 предпочтительно должен быть максимально биосовместимым или должен быть защищен от непосредственного контакта с телом. Как и в случае анодного слоя 104, в катодном слое 108 в качестве добавок можно использовать углеродные нановолокна, углеродные нанопроволоки и/или углеродные нанотрубки. Катодный слой 108 имеет толщину приблизительно 40 (сорок) микрон; однако толщина может отличаться.
Катодный слой 108 может содержать порошковую смесь, полученную размалыванием на шаровой мельнице активного материала (Ag2O и/или MnO2), проводящего материала (графита и/или углеродных волокон, нанопроволок и/или нанотрубок) и добавок (газовой сажи, диспергаторов) для обеспечения тщательного перемешивания. Эту порошковую смесь затем диспергируют в растворе полимерного связующего вещества (смеси полиэтиленоксида или ПЭО/полиакриловой кислоты или PAA) в органическом растворителе для получения смеси для нанесения катодного слоя. Затем смесь для нанесения катодного слоя наносят поверх образованного in situ полимерного разделительного слоя 106 для образования катодного слоя 108. Материал катодного слоя может быть поперечно сшит любыми известными способами. Количества активного материала, проводящих добавок и связующего полимера предпочтительно подбирают для получения необходимого баланса механических, электрических и технологических характеристик.
Вокруг катодного слоя 108 концентрически расположен катодный токосъемник 110. Как и в случае остальных слоев, катодный токосъемник 110 не обязательно должен быть концентрическим. Катодный токосъемник 110 может иметь любые подходящие форму, размер и материал в зависимости от использования или приложения аккумуляторной батареи 100. Катодный токосъемник 110 может представлять собой любой подходящий электропроводный материал, который можно нанести на катодный слой 108. В примере осуществления катодный токосъемник 110 содержит полимерную композицию с графитовым и/или серебряным наполнителем. Катодный токосъемник 110 имеет толщину приблизительно 10 (десять) микрон. Катодный токосъемник 110 предпочтительно должен быть максимально биосовместимым или должен быть защищен от непосредственного контакта с телом.
Композицию для катодного токосъемника 110 предпочтительно наносят в виде покрытия, так же как другие слои проволочной аккумуляторной батареи; однако связующий полимер катодного токосъемника 110 не должен поглощать заметные количества электролита или воды. Если бы это произошло, снизилась бы электрическая проводимость катодного токосъемника 110, и ухудшились функциональные характеристики аккумуляторной батареи. Более того, определенные проводящие компоненты в слое катодного токосъемника 100 потенциально могли бы взаимодействовать с электролитом. Однако катодный токосъемник 110 должен быть проницаем для паров воды и других газов для обеспечения возможности выравнивания внутреннего давления в аккумуляторной батарее с окружающей средой во избежание опасности внутреннего разрыва слоев. Подходящие материалы для катодного токосъемника 110 представляют собой наполненные графитом, серебром и/или никелем полимеры, такие как проводящие силиконы или фторполимеры. Можно без ограничений использовать и другие проводящие композиции при условии, что композиции обеспечивают необходимую химическую совместимость с катодным слоем 108 и электролитом, а также обладают необходимыми механическими и электрическими свойствами. Минимальная практически достижимая толщина будет определяться реологическими свойствами смеси для нанесения слоя катодного токосъемника, размером частиц проводящего наполнителя и необходимыми электрическими характеристиками электрохимического элемента, на которые будет влиять сопротивление материала катодного токосъемника. Типичные толщины катодного токосъемника 110 могут составлять приблизительно от 10 до 20 микрон.
В случае использования альтернативных «обращенных» конструкций, например, когда анодный слой окружает центральный катодный слой, должно быть понятно, что катодный токосъемник 110 превращается в анодный токосъемник и что центральная проволока 102 превращается в катодный токосъемник.
Вокруг катодного токосъемника 110 концентрически расположен изолирующий слой 112. Изолирующий слой 112 не обязательно должен располагаться концентрически вокруг любых других слоев. Изолирующий слой 112 можно изготовить из любого подходящего биосовместимого материала с достаточной прочностью для удержания вместе различных компонентов аккумуляторной батареи 100 при достаточной гибкости для использования в различных приложениях. Для проволочной аккумуляторной батареи важными факторами являются толщина профиля и гибкость. При использовании изолирующего слоя 112 он предпочтительно должен быть изготовлен из материала, который открыт к внешней среде в отношении проницаемости как к влаге, так и газу и при этом является неэлектропроводным, тем самым устраняя необходимость в отверстиях, как у традиционных аккумуляторных батарей.
Примеры подходящих изолирующих материалов включают в себя непроводящие силиконы, полиуретаны, фторполимеры (в частности, аморфные фторполимеры и сополимеры), эпоксидные композиции, эмали, заливочные вещества, конформные покрытия и т.п. Толщина изолирующего слоя 112 может быть минимально достаточной для обеспечения полного укрытия целевых областей и получения подходящих механических и электрических характеристик. Номинальная толщина изолирующего слоя 112 может составлять 5 (пять) микрон. Предпочтительными изолирующими материалами являются материалы семейства париленов, которые представляют собой наносимые в вакууме покрытия с контролируемой толщиной; однако определенные примеры осуществления проволочной аккумуляторной батареи могут не допускать использования париленов в силу различных ограничений конструкции. Парилены, такие как парилен-C, являются предпочтительными в силу своей способности быстро и однородно, т.е. конформно, покрывать поверхности неправильной формы независимо от химического состава покрываемой поверхности.
В альтернативном примере осуществления изолирующий слой 112 может представлять собой часть катодного токосъемника 110, выполненного в виде одноэлементной, или цельной, структуры. Например, катодный токосъемник 110 может представлять собой однослойную или многослойную структуру, которая включает в себя все слои, необходимые для выполнения функции катодного токосъемника в качестве внутренней структуры, и все слои, необходимые для выполнения функции изолятора в качестве внешней структуры. В альтернативном варианте осуществления катодный токосъемник 110 можно изготовить из материала, который будет как защитным, так и электропроводным материалом. Примеры таких материалов представляют собой проводящие силиконы и фторполимеры.
В самом строгом смысле изолирующий слой является чисто дополнительным в отношении электрической функциональности аккумуляторной батареи. Например, его можно образовать как часть катодного токосъемника. В альтернативном варианте осуществления изолирующий слой может представлять собой часть медицинского устройства. Другими словами, часть медицинского устройства может выступать в роли изолирующего слоя.
Электролит, как описано выше, представляет собой материал, который обеспечивает среду для переноса заряда, в форме ионов, в электрохимическом элементе между анодом и катодом. В традиционных аккумуляторных батареях для этого используют сильные основания, такие как гидроксид натрия NaOH и гидроксид калия KOH; однако в настоящем изобретении для обеспечения большей биосовместимости можно использовать более слабое основание и/или ионные жидкости, которые могут иметь нейтральный уровень pH или буферизоваться до контролируемого уровня pH. Однако сильные основания, такие как NaOH и KOH, остаются подходящими компонентами электролита для проволочных аккумуляторных батарей, составляющих предмет настоящего изобретения. Ионные жидкости представляют собой соли, которые находятся в жидком состоянии. Для использования в электрохимических аккумуляторных батареях особенно полезными могут быть соли, которые находятся в жидком состоянии при температурах, близких к температуре окружающей среды, также известные как ионные жидкости комнатной температуры.
Как описано выше, при создании биосовместимой перезаряжаемой электрохимической проволочной аккумуляторной батареи в конструкцию и материалы могут вноситься различные изменения, включая изменение порядка расположения различных компонентов. Кроме того, можно использовать связывающие средства для облегчения удержания различных компонентов вместе. Как правило, такие связывающие средства представляют собой те же материалы, которые используются в различных слоях проволочной аккумуляторной батареи, и представляют собой смесь пленкообразующего полимера с проницаемым для ионов полимером. В определенных случаях связывающие средства могут представлять собой по существу другие или уникальные композиции в зависимости от конкретного приложения.
На фиг. 2 схематически представлена простая схема с использованием отрезка заданной длины биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи 100. Как показано на фигуре, биосовместимая проволочная аккумуляторная батарея 100 подключена к внешней схеме или нагрузке 200. Анодный токосъемник 102 подключен к отрицательному выводу нагрузки 200, и катодный токосъемник 110 подключен к положительному выводу нагрузки 200, тем самым замыкая схему. Присоединения к нагрузке 200 можно выполнить с использованием любых подходящих способов, например, используя соединения из проводящей эпоксидной композиции. Тип используемого соединения определяет степень открытия анодного токосъемника 102 и катодного токосъемника 110. Следует отметить, что при использовании любого инструмента для обрезки и/или открытия токосъемников иным способом необходимо избегать любой ситуации, которая может привести к короткому замыканию путем приведения анодного слоя 104 или анодного токосъемника 102 в контакт с катодным слоем 108 или катодным токосъемником 110. Следует отметить, что рисунок 2 приведен только с целью иллюстрации и не представляет реальные соединения.
Материалы анода и катода определяют напряжение и емкость электрохимического элемента. По существу напряжение определяется типом используемого активного материала, а емкость в ампер-часах определяется количеством используемого активного материала. Таким образом, напряжение холостого хода биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи 100 по существу не зависит от длины используемой проволочной аккумуляторной батареи, однако это не подходит для емкости. Однако следует отметить, что для любой конструкции электрохимического элемента аккумуляторной батареи существует минимальная длина, начиная с которой напряжение холостого хода начнет существенно снижаться при укорочении аккумуляторной батареи, поскольку внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи обратно пропорционально длине проволочной аккумуляторной батареи и высокие значения внутреннего сопротивления приведут к снижению напряжения холостого хода электрохимического элемента. Поскольку длина аккумуляторной батареи может варьироваться в зависимости от конкретного приложения, конструкцию аккумуляторной батареи, включая выбор типа материалов и количества материалов, можно корректировать под задачи конкретного приложения. Например, концентрации активных материалов или плотность активных материалов можно изменить без существенного изменения толщины профиля. В альтернативном варианте осуществления активные слои могут быть более толстыми. В другом альтернативном примере осуществления дополнительные материалы можно использовать в качестве добавок, как описано в настоящем документе.
В соответствии с альтернативным примером осуществления в настоящем изобретении раскрыта двухпроволочная проволочная аккумуляторная батарея, в которой одна проволока представляет собой анодный токосъемник и другая проволока представляет собой катодный токосъемник. Множество аккумуляторных батарей этих типов можно соединять параллельно для увеличения их емкости и/или соединять последовательно для получения больших значений напряжения, как более подробно описано ниже. Этот тип соединения или конструкции имеет ряд как преимуществ, так и недостатков, которые более подробно описаны далее.
На фиг. 3 показан вид в частичном разрезе в сечении альтернативного примера осуществления биосовместимой проволочной аккумуляторной батареи 300 в соответствии с настоящим изобретением. В этом примере осуществления центральная часть проволочной аккумуляторной батареи содержит как анодный токосъемник 302, так и катодный токосъемник 310, которые расположены по существу параллельно друг другу. Как указано в описании предыдущего примера осуществления, как анодный, так и катодный токосъемники 302 и 310 могут иметь любые соответствующие форму, размеры и материал в зависимости от применения или приложения аккумуляторной батареи 300. В предпочтительном примере осуществления оба токосъемника 302, 310 образованы из металлической проволоки с, по существу, круговым сечением, хотя без ограничений можно использовать и альтернативные профили сечения, например, можно использовать проволоки квадратного сечения. Вокруг анодного токосъемника 302 расположен анодный слой 304, и вокруг катодного токосъемника 310 расположен катодный слой 308. Как и в описанном выше примере осуществления, эти слои 304 и 308 можно образовать из любого такого же подходящего материала с использованием любого из таких же процессов. Вокруг как анодного слоя 304, так и катодного слоя 308 расположен образованный in situ разделительный слой 306. Как и описано выше, разделительный слой 306 можно изготовить из любого такого же материала, что и в описанном выше примере осуществления, с использованием любого из таких же технологических процессов. Вокруг разделительного слоя 306 расположен изолирующий слой 312, который также можно изготовить из таких же материалов и в таких же конфигурациях, как в описанном выше примере осуществления, с использованием любого из таких же технологических процессов. Кроме того, электролит также может быть таким же.
Эта конструкция с двумя параллельными металлическими проволоками имеет ряд преимуществ. Благодаря наличию настоящих металлических токосъемников как для анода, так и для катода, например, медного со стороны анода и никелевого со стороны катода, становится возможным использование взаимного соединения с возможностью припаивания к обоим электродам. Кроме того, эта конструкция с двумя металлическими проволоками по очевидным причинам имеет большую механическую прочность. Двухпроволочную аккумуляторную батарею, составляющую предмет настоящего изобретения, можно изогнуть в форме двойной спирали для обеспечения дополнительной механической поддержки всей структуры. Число поворотов на единицу длины можно варьировать без ограничений при условии сохранения функциональности двухпроволочной аккумуляторной батареи. Другими словами, должна сохраняться целостность внутренней структуры. Что касается технологии изготовления, при такой конструкции нет необходимости в этапе нанесения слоя токосъемника, и снижается общее количество наносимых слоев, что снижает риск изменения и/или повреждения предыдущего покрытия. Двухпроволочная конструкция также уменьшает возможность или снижает риск закорачивания анода с катодом при обрезке проволоки до необходимой длины, связанный с обжатием, и имеет менее опасную контактную область между анодом и катодом, что снижает риск внутреннего короткого замыкания через слой разделителя. Эта конструкция также обеспечивает менее ограниченный диффузионный путь для влаги и выходящих газов. Наконец, взаимные соединения можно выполнить с одной стороны или с противоположных сторон.
Множество двухпроволочных пар анода-катода можно также интегрировать и изменять для образования многопроволочных аккумуляторных батарей, имеющих 2, 3, 4 или более отдельных пар анода-катода. Чтобы эти конструкции могли правильно функционировать, каждая пара анода-катода должна быть электрически и ионно изолирована от смежных пар анода-катода. Другими словами, вокруг каждой пары анода-катода в такой многопроволочной конфигурации должен присутствовать электронный и ионный изолятор. Этого можно достичь наплавлением или общим покрытием сверху двух или более отдельных двухпроволочных аккумуляторных батарей подходящим изолирующим материалом, таким как перечисленные выше материалы, с использованием любых традиционных способов, таких как нанесение покрытия погружением, нанесение проволочного покрытия или напыления покрытия, для образования многопроволочной аккумуляторной батареи. Множество двухпроволочных аккумуляторных батарей можно расположить параллельно друг другу для образования плоской «ленты», или их можно расположить в пучок или любой другой подходящей конфигурацией, такой как жгут. Эти условия действуют и для однопроволочной аккумуляторной батареи при соблюдении электрической и ионной изоляции каждого смежного однопроволочного электрохимического элемента от другого. Такая конструкция имеет дополнительные механические преимущества и гибкость во взаимном соединении каждой из отдельных пар анода-катода в различные последовательные и/или параллельные конфигурации в зависимости от потребности. В случае многопроволочной аккумуляторной батареи напряжение холостого хода можно увеличить путем последовательного взаимного соединения смежных электрохимических элементов.
Взаимное соединение на однопроволочной конструкции можно выполнить в любом месте, где возможно безопасное удаление изолирующего слоя при необходимости в изолирующем слое. Когда изолирующий слой и самый внешний токосъемник представляют собой один и тот же слой, самое внешнее взаимное соединение можно выполнить снаружи однопроволочной конструкции.
Недостатки, связанные с двух- и многопроволочными конструкциями, не столь многочисленны, как их преимущества, и включают в себя более низкое отношение содержания активных компонентов к инертным, а также возможность меньших скоростей разряда из-за увеличения расстояний, на которых проходит транспорт ионов.
На фиг. 4-6 показаны примеры построения схем для двух- и четырехпроволочных конструкций электрохимического элемента аккумуляторной батареи. На фиг. 4 положительный вывод нагрузки 200 соединен с катодным токосъемником 110, и отрицательный вывод нагрузки 200 соединен с анодным токосъемником 102. Эта схема соединений показывает подключение двухпроводной аккумуляторной батареи к нагрузке 200 в параллельной конфигурации. На фиг. 5 положительный вывод нагрузки 200 соединен с катодным токосъемником 110 с одной стороны аккумуляторной батареи, и отрицательный вывод нагрузки 200 соединен с анодным токосъемником 102 с другой стороны аккумуляторной батареи, тем самым образуя схему в антипараллельной конфигурации.
На фиг. 6 показано подключение четырехпроволочной витой аккумуляторной батареи 400 к нагрузке 200. Витая четырехпроволочная аккумуляторная батарея 400 содержит два двухпроволочных электрохимических элемента 401 и 403, соединенных последовательно через межэлементный соединитель 405, который можно изготовить из любого подходящего материала, соединяющего катодный токосъемник 410 элемента 401 с анодным токосъемником 402 элемента 403. Витая четырехпроволочная аккумуляторная батарея 400 также содержит ионный и электрический изолятор 407, окружающий два элемента 401 и 403. Последовательное взаимное соединение элементов удваивает номинальное выходное напряжение аккумуляторной батареи 400. Последовательное соединение изменяет выходное напряжение, тогда как параллельное соединение изменяет емкость батареи. Положительный электрод нагрузки 200 соединен с катодным вставным токосъемником 410 элемента 403, и отрицательный электрод нагрузки 200 соединен с анодом элемента 401 для замыкания схемы. Важно отметить, что эти схемы приведены только с целью иллюстрации и что возможны различные другие конфигурации.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения может оказаться необходимо собрать и/или хранить проволочную аккумуляторную батарею в по существу разряженном или неактивном состоянии, чтобы потом ее можно было зарядить или активировать перед использованием в качестве источника энергии. Одна из причин такого подхода может заключаться в ограничении нежелательных побочных эффектов или изменений морфологии используемых материалов. Например, хорошо известно, что цинковые электроды в присутствии водного электролита медленно взаимодействуют с водой, что приводит к образованию оксида цинка и газообразного водорода. Известно, что некоторые углеродные материалы катализируют эту побочную реакцию. Более того, известно, что некоторые ионные частицы мигрируют в электрохимических элементах, что может сказаться на рабочих характеристиках и/или сроке службы электрохимического элемента.
Образуя аккумуляторную батарею с предшественником анода, таким как частицы оксида цинка, и с подходящим предшественником катода, таким как частицы металлического серебра, можно получить скрытую проволочную аккумуляторную батарею, в которой совсем или практически не содержится металлический цинк, способный к участию в нежелательных побочных реакциях. Такую скрытую проволочную аккумуляторную батарею можно хранить отдельно или встроенной в любое устройство, которое можно хранить некоторое время перед началом использования устройства. Перед использованием инициируется первый цикл заряда (формирование) для образования электродов (анода и катода) из их соответствующих предшественников. Дополнительное преимущество этого способа заключается в доступности в продаже материалов предшественников анода и катода с различной морфологией и различной степенью чистоты, которые могут быть не столь доступны для соответствующих материалов анода и катода. Например, в качестве материалов предшественников анода и/или катода могут быть доступны материалы очень высокой чистоты или наночастицы, нанопроволоки или хлопья с высокими коэффициентами пропорциональности. Образование скрытой проволочной аккумуляторной батареи с такими материалами позволяет повысить технологичность и удобство производства проволочной аккумуляторной батареи, составляющей предмет настоящего изобретения, по ряду параметров. Более того, использование этой методологии позволяет в значительной степени устранить проблемы срока хранения и саморазряда при хранении аккумуляторной батареи.
В соответствии с описанными в настоящем документе примерами осуществления проволочную аккумуляторную батарею можно укоротить до необходимой длины с использованием любого ряда устройств. Например, проволочную аккумуляторную батарею можно укоротить до длины, необходимой для размещения батареи в конкретном устройстве, с использованием любого ряда устройств обрезки сдвигом, однако это следует делать таким способом, чтобы избежать создания короткого замыкания между анодом и катодом или анодным токосъемником и катодным токосъемником. По существу необходимо поддерживать проволочную аккумуляторную батарею с обеих сторон и затем производить контролируемый сдвиговый надрез, например, с помощью лезвия бритвы, перпендикулярно центральной оси проволоки. В некоторых случаях этот сдвиговый надрез может проходить через всю проволочную аккумуляторную батарею. В других случаях может быть необходимо остановить сдвиговый надрез у центральной проволоки или проволок. Круговой надрез можно выполнить, например, вращая однопроволочную аккумуляторную батарею вокруг ее центральной оси с одновременным опусканием острого лезвия перпендикулярно центральной оси проволоки, останавливаясь, когда лезвие приблизительно пересечет металлическую проволоку. Два таких надреза можно выполнить на небольшом расстоянии друг от друга и удалить материал между двумя круговыми надрезами с использованием любых стандартных способов, например соскабливанием, шлифовкой, снятием струей воды и т.п., тем самым открывая доступ к центральной проволоке для последующей обрезки и/или взаимного соединения. Альтернативный способ обрезки проволочной аккумуляторной батареи до необходимой длины состоит в использовании процесса перекусывания, например, с использованием кусачек или бокорезов. Указанные выше способы обрезки проволочной аккумуляторной батареи ни в коей мере не исчерпывают все возможности, и можно использовать любой подходящий и доступный способ, с единственным требованием, чтобы полученный разрез не приводил к короткому замыканию электрохимического элемента или элементов.
Проволочную аккумуляторную батарею можно встроить в устройство таким образом, чтобы исключить необходимость в отдельном изолирующем слое. Проволочную аккумуляторную батарею можно укоротить и уложить в необходимую форму и затем разместить на устройстве или внутри него с использованием любых подходящих способов, например, с использованием УФ-отверждаемого адгезива, и затем выполнить необходимые взаимные электрические соединения, например, с помощью спайки или проводящей эпоксидной композиции. В альтернативном варианте осуществления взаимные соединения можно выполнить до закрепления проволочной аккумуляторной батареи в необходимом положении. Должно быть понятно, что при использовании таким образом однопроволочной или витой многопроволочной аккумуляторной батареи без изолятора возможно открытие доступа к электролиту со стороны смежных частей устройства. Следовательно, может потребоваться выбрать такую конструкцию других частей устройства, которая была бы выполнена с возможностью совместимости с конкретным электролитом, который может быть коррозионноактивным или реакционноспособным. В таких случаях может оказаться необходимо образовать изолирующий слой in situ, например, используя конформное покрытие или заливочную композицию. Таким образом, материал изолятора также должен обеспечивать желательные свойства описанного выше интегрального изолирующего слоя, а именно проницаемость как к воде, так и к газам. Подходящие конформные покрытия и/или заливочные композиции доступны в продаже от широкого спектра поставщиков. Изоляционный материал можно варьировать без ограничений в соответствии с планируемым применением и требованиями устройства.
Следует отметить возможность использования широкого диапазона материалов и технологических способов в плане изготовления аккумуляторных батарей или электрохимических элементов аккумуляторных батарей в соответствии с настоящим изобретением. По существу выбранные материалы и используемые способы следует комбинировать для изготовления аккумуляторной батареи, которая обеспечивала бы удобство механической обработки и хорошие электрические характеристики путем использования безопасных, надежных и воспроизводимых процессов. Материал(-ы) для образования каждого из компонентов аккумуляторной батареи предпочтительно следует выбирать для удовлетворения этих требований к конструкции, а также для соответствия требованиям к электрическому выходу, необходимым для запитываемого этой аккумуляторной батареей устройства, и для обеспечения механической и химической совместимости с запитываемым устройством. Таким образом, после выбора материалов необходимо провести испытание для определения того, насколько компоненты аккумуляторной батареи работают в соответствии с ожидаемыми результатами. Следовательно, необходимо разработать устройства и методологии для испытания этих новых устройств. Кроме того, процесс изготовления аккумуляторных батарей в соответствии с настоящим изобретением включает в себя оптимизацию технологических методик после выбора и испытания необходимых материалов и профилей. Наконец, при встраивании аккумуляторных батарей в предназначенное для них устройство необходимо учитывать необходимость взаимного соединения аккумуляторных батарей таким образом, чтобы избежать их частичного разрушения или любого их изменения.
Хотя показанные и описанные варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, очевидно, что специалистам в данной области представляются возможности отступления от конкретных описанных и показанных конструкций и способов и их можно использовать без выхода за рамки сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается отдельными конструкциями, описанными и показанными в настоящем документе, но все его конструкции должны быть согласованы со всеми модификациями, которые могут входить в объем приложенной формулы изобретения.
1. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащий:
анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения;
анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного токосъемника;
разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного слоя;
катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем;
катодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного слоя; и
электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем,
при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
2. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, дополнительно содержащий
изолирующий слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного токосъемника.
3. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, в котором анодный токосъемник изготовлен из металлического материала.
4. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, в котором анодный токосъемник изготовлен из материала на основе углерода.
5. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, в котором анодный слой содержит частицы цинка, диспергированные в полимерной матрице.
6. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, в котором разделительный слой содержит проницаемый для электролита неэлектропроводный полимерный материал.
7. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, в котором катодный слой содержит по меньшей мере один из Ag2O и MnO2 в комбинации с графитом в проницаемом для ионов полимерном связующем веществе.
8. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 1, в котором катодный токосъемник содержит по меньшей мере один из наполненного графитом, серебром и/или никелем полимеров.
9. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 8, в котором полимеры включают в себя проводящие силиконы или фторполимеры.
10. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащий:
по меньшей мере один анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения;
по меньшей мере один катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, причем по меньшей мере один катодный токосъемник расположен смежно с по меньшей мере одним анодным токосъемником и отделен от него заданным расстоянием, причем каждый из по меньшей мере одного анодного токосъемника и по меньшей мере одного катодного токосъемника выполнены в виде пар;
анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного анодного токосъемника;
катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного катодного токосъемника;
разделительный слой, образованный и расположенный вокруг некоторой части как анодного слоя, так и катодного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем; и
электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
11. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 10, дополнительно содержащий изолирующий слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части разделительного слоя.
12. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащий:
катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения;
катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного токосъемника;
разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного слоя;
анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между катодным слоем и анодным слоем;
анодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного слоя; и
электролит, обеспечивающий ионную проводимость между катодным слоем и анодным слоем, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
13. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 12, дополнительно содержащий изолирующий слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного токосъемника.
14. Устройство, включающее электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащее:
запитываемый энергией компонент, имеющий по меньшей мере один набор положительных и отрицательных электрических контактов; и
электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки, встроенный в или на поверхности запитываемого энергией компонента, причем электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки имеет анодный токосъемник и катодный токосъемник, взаимно соединенные по меньшей мере с одним набором положительных и отрицательных электрических контактов, образуя посредством этого замкнутую схему, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
15. Скрытый электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащий:
анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения;
анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части анодного токосъемника, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал;
разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного слоя;
катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем;
катодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного слоя; и
электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
16. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 15, дополнительно содержащий изолирующий слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного токосъемника.
17. Скрытый электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащий:
катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения;
катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части катодного токосъемника, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал;
разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части катодного слоя;
анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части разделительного слоя, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между катодным слоем и анодным слоем;
анодный токосъемник, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части внешнего слоя; и
электролит, обеспечивающий ионную проводимость между катодным слоем и анодным слоем, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
18. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 17, дополнительно содержащий изолирующий слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части анодного токосъемника.
19. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи, содержащий:
по меньшей мере один анодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения;
по меньшей мере один катодный токосъемник, выполненный в виде проволоки с заданным профилем сечения, причем по меньшей мере один катодный токосъемник расположен смежно с по меньшей мере одним анодным токосъемником и отделен от него заданным расстоянием, причем каждый из по меньшей мере одного анодного токосъемника и по меньшей мере одного катодного токосъемника выполнены в виде пар;
анодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного анодного токосъемника, причем анодный слой образован из предшественника восстанавливающего материала, который может быть превращен в восстанавливающий материал;
катодный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере части по меньшей мере одного катодного токосъемника, причем катодный слой образован из предшественника окисляющего материала, который может быть превращен в окисляющий материал;
разделительный слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части как анодного слоя, так и катодного слоя, причем разделительный слой выполнен с возможностью предотвращения электрического контакта между анодным слоем и катодным слоем; и
электролит, обеспечивающий ионную проводимость между анодным слоем и катодным слоем, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом.
20. Электрохимический элемент аккумуляторной батареи по п. 19, дополнительно содержащий изолирующий слой, образованный и расположенный вокруг по меньшей мере некоторой части разделительного слоя.
21. Способ образования электрохимического элемента для применения с устройством, содержащий этапы, на которых:
вытягивают отрезок электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки из бухты электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки, причем электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки содержит анодный токосъемник и катодный токосъемник, при этом анодный токосъемник изготовлен из непроводящего материала, по меньшей мере частично покрытого проводящим материалом;
отделяют заданный отрезок электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки заданной длины от бухты электрохимического элемента аккумуляторной батареи в форме проволоки;
обеспечивают часть как анодного токосъемника, так и катодного токосъемника для установления электрического контакта с запитываемым устройством; и
укладывают электрохимический элемент аккумуляторной батареи в форме проволоки в заданную форму для применения с запитываемым устройством.
