Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами



Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
Батареи биомедицинского устройства с электроосажденными катодами
A61F9/00 - Способы и устройства для лечения глаз; приспособления для вставки контактных линз; устройства для исправления косоглазия; приспособления для вождения слепых; защитные устройства для глаз, носимые на теле или в руке (шапки, кепки с приспособлениями для защиты глаз A42B 1/06; смотровые стекла для шлемов A42B 3/22; приспособления для облегчения хождения больных A61H 3/00; ванночки для промывки глаз A61H 33/04; солнцезащитные и другие защитные очки с оптическими свойствами G02C)

Владельцы патента RU 2682482:

ДЖОНСОН ЭНД ДЖОНСОН ВИЖН КЭА, ИНК. (US)

Группа изобретений относится к медицине. Контактная линза содержит: электроактивный компонент, выполненный с возможностью изменения фокусных характеристик контактной линзы; батарею, содержащую анодный токоотвод, катодный токоотвод, анод, электролит и катод, причем катод содержит электроосажденные катодные химические вещества, причем катод содержит электролитический диоксид марганца; и биосовместимый герметизирующий слой, причем биосовместимый герметизирующий слой герметизирует электроактивный компонент и батарею. Батарея для контактной линзы содержит: анодный токоотвод, причем анодный токоотвод представляет собой первую металлическую трубку, закрытую на первом конце; анод, причем анодное химическое вещество содержится внутри первой металлической трубки; электролит; катодный токоотвод, причем катодный токоотвод представляет собой проволоку; керамический концевой колпачок с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с катодным токоотводом; катод, причем катодное химическое вещество электроосаждено на катодный токоотвод, причем катод содержит электролитический диоксид марганца; и уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой. Способ изготовления батареи для контактной линзы, включающий: получение катодного токоотвода; придание шероховатости поверхности катодного токоотвода; помещение катодного токоотвода в химическую ванну, содержащую соль марганца; помещение гальванического электрода в химическую ванну; установление электрического потенциала на катодном токоотводе и гальваническом электроде, причем этот электрический потенциал вызывает электрохимическое осаждение диоксида марганца на катодный токоотвод; и сборку катодного токоотвода с электроосажденным диоксидом марганца вместе с анодом, анодным токоотводом и электролитом. Применение данной группы изобретений позволит улучшить обработку и конфигурацию катода для применения в биосовместимых элементах питания. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка испрашивает преимущество по предварительной заявке на патент США № 62/409 217, поданной 17 октября 2016 г. Содержание этого документа взято за основу и включено в настоящую заявку посредством ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область применения изобретения

В настоящем документе описаны конфигурации и способы улучшения аспектов биосовместимости батарей, в частности, путем формирования трубчатых форм из твердых структур. В некоторых примерах область применения биосовместимых батарей может включать в себя любое биосовместимое устройство или изделие, для которых необходима подача энергии.

2. Описание предшествующего уровня техники

В последнее время число медицинских устройств и их функциональных возможностей быстро растет. Эти медицинские устройства могут включать в себя, например, имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для контроля и/или испытания биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы, инфузионные помпы и нейростимуляторы. Создаются теории и разрабатываются дополнительные функциональные возможности и улучшение рабочих характеристик многих из упомянутых выше медицинских устройств. Однако для того, чтобы обеспечить теоретический уровень дополнительных функций, многие из этих устройств в настоящее время нуждаются в автономных средствах питания, которые соответствуют требованиям к размеру и форме этих устройств, а также потребностям в энергоснабжении новых компонентов с энергообеспечением.

Некоторые медицинские устройства могут включать в себя такие электрические компоненты, как полупроводниковые устройства, которые выполняют разнообразные функции и могут быть встроены во множество биосовместимых и/или имплантируемых устройств. Однако для таких полупроводниковых компонентов необходимо энергообеспечение, и, таким образом, в такие биосовместимые устройства также предпочтительно должны быть включены элементы подачи питания. Относительно небольшой размер биосовместимых устройств может создавать сложные условия среды для определения различных функциональных возможностей. Во многих примерах важным может оказаться требование обеспечить безопасные, надежные, компактные и экономичные средства подачи питания к полупроводниковым компонентам внутри биосовместимых устройств. Следовательно, существует потребность в биосовместимых элементах подачи питания, образованных с возможностью размещения внутри биосовместимых устройств или на них, причем структура элементов подачи питания миллиметрового или меньшего размера обеспечивает расширенные функциональные возможности элементов подачи питания, сохраняя при этом биосовместимость.

Один такой элемент подачи питания, используемый для электропитания устройства, может представлять собой батарею. При использовании батареи в устройствах биомедицинского типа может быть важно, чтобы структура и конфигурация батареи включали компоненты батареи очень малого размера. При небольшом размере может быть трудно собрать мелкие компоненты, достигнув эффективной герметизации для обеспечения биосовместимости и в то же время оптимизировав эффективность устройства батареи. Может быть полезно сконструировать и обработать микроразмерные компоненты батареи, в частности катод таких батарей, таким образом, который позволит максимально усилить указанные выше параметры, представляющие интерес.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, в настоящем документе были описаны улучшенные обработка и конфигурации катода для применения в биосовместимых элементах питания.

В соответствии с одним аспектом, настоящее изобретение относится к типу батареи с положительным активным электродом из электролитического диоксида марганца (EMD). Положительный активный электрод для применения в электрохимических элементах питания может быть сформирован путем электроосаждения твердой, клейкой и адгезивной массы EMD на проводящую подложку, в частности титановую фольгу, проволоку или сетку, с последующей промывкой водой для удаления солей бани или кислоты. В некоторых примерах промытый электрод может быть слегка высушен, а затем в него может проникать выбранный электролит элемента, или промытый электрод может быть погружен в выбранный электролит без сушки. Проводящая подложка может оставаться на месте и функционировать в качестве положительного токоотвода в электрохимическом элементе питания. Условия осаждения EMD можно задавать для обеспечения высокой адгезии EMD с подложкой и для создания конструкции с оптимальными электрохимическими характеристиками разряда в конечном устройстве.

Такой положительный электрод из твердого EMD, осажденный на проводящую подложку, упрощает конструкцию очень маленьких электрохимических элементов питания по ряду причин. В некоторых примерах в заданный электрод можно включить точно известное количество EMD путем измерения продолжительности осаждения и величины тока при нанесении EMD. Эффективность осаждения EMD, как правило, выше 98%, что обеспечивает корреляцию между продолжительностью осаждения и величиной тока относительно количества EMD, которое впоследствии может быть доступно для использования.

В некоторых примерах форма конечного электрода может определяться преимущественно формой подложки, продолжительностью осаждения и величиной тока. Возможны различные формы электродов, на которые можно наносить EMD путем осаждения.

В некоторых примерах преимущество электроосаждения EMD может заключаться в исключительной целостности и контролируемой форме таких электроосажденных электродов. Процесс может упрощать или способствовать установке электрода в контейнер для электрохимическего элемента. Кроме того, можно сокращать до минимума возможные потери материала при осыпании или размазывании по прилегающим поверхности. Улучшения подобного рода могут обеспечить самую высокую электрохимическую емкость, а также исключить проблемы герметизации, связанные с загрязнением некоторых герметизирующих поверхностей, что может обеспечить повышенную биосовместимость. В некоторых примерах нанесенный слой твердого EMD может демонстрировать предпочтительное электронное сопротивление, которое может составлять приблизительно порядка 100 Ом-см. Электроосажденный слой EMD может обладать более высокими проводящими свойствами, чем равноценная масса непрессованного или слегка спрессованного порошка EMD, поскольку там могут содержаться минимизированные связи от частицы к частице, которые могут способствовать сопротивлению контактов.

Другое преимущество электроосажденного EMD может заключаться в том, что для электрода из твердого EMD ограниченной толщины возможно не потребуется включение дополнительных проводящих добавок, таких как сажа или графит. Следовательно, доступный объем для положительного активного материала можно увеличить по сравнению с традиционным электродом из EMD, содержащим смесь EMD с проводящей добавкой. Типичная смесь EMD с проводящей добавкой может содержать от 10-15% углерода+85-90% EMD. Поскольку плотность углерода или графита, составляющая приблизительно 2,2 г/см3, существенно меньше, чем плотность EMD, составляющая приблизительно 3,45 г/см3 и измеряемая как плотность оболочки, возможность исключения проводящей добавки может быть значимым преимуществом. Попутно стоит отметить, что «реальная» плотность EMD может находиться в пределах от 4,25 г/см3 до идеальной плотности 5 г/см3. В настоящем документе термин «плотность оболочки» обозначает, что в измерение плотности EMD вместе с твердым веществом включаются поры. Такие поры занимают пространство и увеличивают измеряемый объем, но не влияют на измеряемый вес. Электроды из твердого EMD, не содержащие проводящей добавки и имеющие ограниченную толщину, можно эффективно использовать в тонких плоских элементах или в очень маленьких элементах различных конфигураций.

В различных примерах электроды из твердого электроосажденного EMD могут применяться в различных системах элементов, включая элементы Лекланше, элементы с высоким содержанием хлорида цинка, элементы из магния-MnO2, щелочные, литиевые и другие элементы.

Один общий аспект включает в себя биомедицинское устройство, включающее электрически активный компонент, биосовместимую батарею и первый инкапсулирующий слой. Биосовместимая батарея в этом аспекте включает в себя трубчатую структуру с внутренним пространством, формирующим полость. Первый инкапсулирующий слой инкапсулирует по меньшей мере электрически активный компонент и биосовместимую батарею. В некоторых примерах первый инкапсулирующий слой применяют для образования юбки контактной линзы, окружающей внутренние компоненты электроактивной линзы с биосовместимым слоем гидрогеля, который взаимодействует с поверхностью глаза пользователя. В некоторых примерах свойства электролитного раствора обеспечивают улучшения с точки зрения биосовместимости биомедицинского устройства. Например, композиция электролитного раствора может иметь более низкие концентрации электролитов, чем обычные композиции батарей. В других примерах композиция электролитов может имитировать биологическую среду, в которой находится биомедицинское устройство, например, композиция слезной жидкости является неограничивающим примером.

В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к биомедицинскому устройству.

Биомедицинское устройство содержит электрически активный компонент; батарею, содержащую анодный токоотвод, катодный токоотвод, анод и катод; трубку, инкапсулирующую анод и катод, с первым отверстием для анодного токоотвода, вторым отверстием для катодного токоотвода, первым уплотнением между трубкой и анодным токоотводом и вторым уплотнением между трубкой и катодным токоотводом; и первый биосовместимый инкапсулирующий слой, который инкапсулирует по меньшей мере электрически активный компонент и батарею.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к батарее. Батарея содержит анодный токоотвод, который представляет собой первую металлическую трубку, закрытую на первом конце; анод, причем химическая составляющая анода содержится внутри первой металлической трубки; катодный токоотвод, который представляет собой вторую металлическую трубку, закрытую на втором конце; катод, причем химическая составляющая катода содержится внутри второй металлической трубки; керамическую трубку с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует со второй металлической трубкой; и уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой.

В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение относится к батарее. Батарея содержит анодный токоотвод, который представляет собой первую металлическую трубку, закрытую на первом конце; анод, причем химическая составляющая анода содержится внутри первой металлической трубки; катодный токоотвод, который представляет собой вторую металлическую трубку, закрытую на втором конце; катод, причем химическая составляющая катода содержится внутри второй металлической трубки; стеклянную трубку с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует со второй металлической трубкой; и уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой.

В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение относится к батарее. Батарея содержит анодный токоотвод, который представляет собой первую металлическую трубку, закрытую на первом конце; анод, причем химическая составляющая анода содержится внутри первой металлической трубки; катодный токоотвод, который представляет собой провод; керамический концевой колпачок с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с катодным токоотводом; катод, причем химическую составляющую катода осаждают на катодный токоотвод; и уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой.

В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение относится к батарее. Батарея содержит анодный токоотвод, который представляет собой первую полупроводниковую трубку, закрытую на первом конце и легированную на первом конце; анод, причем химическая составляющая анода содержится внутри первой полупроводниковой трубки; катодный токоотвод, который представляет собой вторую полупроводниковую трубку, закрытую на втором конце и легированную на втором конце; катод, причем химическую составляющую катода осаждают на катодный токоотвод; и уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к способу изготовления батареи. Способ включает получение трубки катодного токоотвода; заполнение трубки катодного токоотвода химическими составляющими катода; получение трубки анодного токоотвода; заполнение трубки анодного токоотвода химическими составляющими анода; получение керамического изолирующего элемента трубчатой формы; формирование первой и второй уплотнительных поверхностей на каждом конце керамического изолирующего элемента трубчатой формы; напыление металлической пленки на первую и вторую уплотнительные поверхности; покрытие конца трубки катодного токоотвода элементом из материала Nanofoil®, который представляет собой нанотехнологический материал, производимый компанией Indium Corporation; покрытие металлической пленки на первой и второй уплотнительных поверхностях паяльной пастой; проталкивание трубки катодного токоотвода поверх первой уплотнительной поверхности; активацию Nanofoil® для обеспечения быстрого повышения температуры на границе раздела между трубкой катодного токоотвода и первой уплотнительной поверхностью и расплавления паяльной пасты.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к способу изготовления батареи. Способ включает нанесение пленок диоксида марганца на титановую проволоку или пленку электрода. В одном примере пленки диоксида марганца химически осаждаются на шероховатую титановую поверхность. Шероховатую титановую поверхность помещают в химическую ванну, содержащую растворенные MnS04 и H2SO4 в условиях водной среды. В примере концентрация MnS04 может составлять приблизительно 1 моль/л. Катодный токоотвод с покрытием можно собрать в батареи различных форм, как описывается в настоящем документе. Электроосаждение может осуществляться при разных скоростях нанесения, например, первоначальной медленной скорости нанесения, которая характеризуется низкой плотностью тока, например, 19 A/м2, при площади поверхности осаждения приблизительно 50 мм2. Последующее осаждение может происходить при более высоких скоростях, таких как те, которые в примерах характеризуется значениями 66 и 112 A/м2.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На Фиг. 1A-1B показаны примеры аспектов элементов подачи питания, соответствующие примерам использования контактных линз.

На Фиг. 2A-2B показан пример трубчатой формы с металлическим герметизатором и изоляционными компонентами в батарее трубчатой конфигурации.

На Фиг. 3 показан пример трубчатой формы с взаимно проникающим металлическим герметизатором и изоляционными компонентами в батарее трубчатой конфигурации.

На Фиг. 4 показан пример трубчатой формы с металлическим герметизатором концевого колпачка и изоляционными компонентами в батарее трубчатой конфигурации.

На Фиг. 5 показан пример трубчатой формы с металлическими контактами с изоляционной герметизацией в батарее трубчатой конфигурации с кофациальными анодным и катодным компонентами.

На Фиг. 6A-6F показано формирование трубчатого корпуса в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг. 7 показан пример запаянного трубчатого металлического герметизатора и концевого колпачка запаянной изолированной проволоки в батарее трубчатой конфигурации.

На Фиг. 8 показан пример запаянного трубчатого металлического герметизатора и концевых колпачков запаянной изолированной проволоки в батарее трубчатой конфигурации.

На Фиг. 9 показан пример трубчатой формы изолятора с легированными полупроводниковыми герметизирующими элементами, сваренными вместе в батарее трубчатой конфигурации.

На Фиг. 10A показан пример уплотнения в увеличенном масштабе.

На Фиг. 10В показана структура, содержащая поверхности, покрытые припоем, и нагревательную фольгу.

На Фиг. 11 показаны примеры электрических результатов с электроосажденными катодами.

На Фиг. 12 показан пример поперечных микрофотографий электроосажденных катодов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящей заявке описаны способы формирования батарей трубчатой формы с улучшенной биосовместимостью. В следующих разделах приведены подробные описания различных примеров. Описания примеров представляют собой только примеры осуществления, и специалистам в данной области могут быть понятны различные модификации и изменения. Таким образом, примеры не ограничивают объем настоящего изобретения. В некоторых примерах данные биосовместимые батареи могут быть выполнены с возможностью применения внутри или вблизи тела живого организма.

Определения

В описании и представленной ниже формуле изобретения могут использоваться различные термины, для которых применяются приведенные ниже определения.

В настоящем документе термин «анод» относится к электроду, через который электрический ток втекает в поляризованное электрическое устройство, такое как батарея, во время цикла разрядки. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Иными словами, электроны текут из анода, например, в электрическую цепь. В настоящем документе аналогичный элемент поляризованного устройства относится к аноду, даже если во время цикла подзарядки и других событий, таких как электролитическое осаждение элемента, стандартные определения могут обозначать этот элемент по-другому.

В контексте настоящего документа термин «батарея» относится к электрохимическому источнику питания, который состоит из одного электрохимического элемента или множества электрохимических элементов, соответствующим образом соединенных друг с другом для обеспечения требуемого напряжения или тока. Элементы могут представлять собой первичные (не перезаряжаемыми) или вторичные (перезаряжаемыми) элементы.

В настоящем документе термин «связующее вещество» относится к полимеру, который способен упруго реагировать на механические деформации и который химически совместим с другими компонентами элемента энергообеспечения. Например, связующие вещества могут включать в себя электроактивные материалы, электролиты, полимеры и т. д. В некоторых примерах связующее вещество может относиться к субстанции, которая удерживает частицы и/или частицы+жидкость вместе в клейкой массе.

В настоящем документе термин «биосовместимый» относится к материалу или устройству, которое функционирует в конкретном приложении при соответствующем отклике носителя. Например, биосовместимое устройство не оказывает токсических или травмирующих воздействий на биологические системы.

В настоящем документе термин «катод» относится к электроду, через который электрический ток вытекает из поляризованного электрического устройства, такого как батарея, во время цикла разрядки. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому поток электронов поступает в катод поляризованного электрического устройства и вытекает, например, за пределы подключенной электрической цепи. В настоящем документе аналогичный элемент поляризованного устройства относится к катоду, даже если во время цикла подзарядки и других событий, таких как электролитическое осаждение элемента, стандартные определения могут обозначать этот элемент по-другому.

В настоящем документе термин «покрытие» относится к нанесению тонких слоев материала. В ряде применений этот термин будет относиться к тонкому слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой он сформирован. В других более специализированных применениях этот термин может применяться для описания небольших тонких слоев на меньших областях поверхности.

В настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике энергии. Например, он может включать один или оба из анода и катода.

В настоящем документе термин «с энергообеспечением» относится к состоянию способности подачи электрического тока или хранения электрической энергии внутри.

В настоящем документе термин «энергия» относится к способности физической системы выполнять работу. Многие варианты применения элементов энергообеспечения могут относиться к способности выполнять электрические действия.

В настоящем документе термин «источник энергии», или «элемент подачи питания», или «устройство подачи питания», относится к любому устройству или слою, который выполнен с возможностью подачи питания или переведения логического или электрического устройства в состояние с подачей питания. Элементы подачи питания могут включать в себя батареи. Батареи могут быть сформированы из химических элементов щелочного типа и могут быть твердотельными батареями или батареями жидкостных элементов, включающими в себя в качестве составляющей электролита водную щелочь, водную кислоту или водную соль или неводные химические составляющие, составляющую в виде расплава соли или твердотельную химическую составляющую. Батареи могут представлять собой сухой элемент (иммобилизованный электролит) или жидкостный элемент (свободный, жидкий электролит).

В настоящем документе термин «наполнители» относится к одному или более сепараторам элементов энергообеспечения, которые не взаимодействуют ни с кислотными, ни со щелочными электролитами. По существу наполнители могут включать в себя по существу нерастворимые в воде материалы, например углеродную сажу; угольную пыль; графит; оксиды и гидроксиды металлов, например кремния, алюминия, кальция, магния, бария, титана, железа, цинка и олова; карбонаты металлов, например кальция и магния; такие минералы, как слюда, монтмориллонит, каолинит, аттапульгит и тальк; синтетические и природные цеолиты, например портландцемент; осажденные силикаты металлов, например силикат кальция; пустотелые или сплошные полимерные или стеклянные микросферы, пластинки и волокна; и т. п. В настоящем документе термин «функционализированный» относится к выполнению слоя или устройства с возможностью выполнения некоторой функции, включая, например, энергообеспечение, активацию и/или управление.

В настоящем документе термин «форма для литья» относится к жесткому или полужесткому объекту, который можно применять для формирования трехмерных объектов из неполимеризованных составов. Некоторые примеры форм для литья включают две части формы для литья, которые при соединении друг с другом образуют конструкцию трехмерного объекта.

В настоящем документе термин «мощность» относится к выполняемой работе или энергии, передаваемой за единицу времени.

В настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно подключаемый к источнику питания» относятся к возможности восстановления до состояния с более высокой способностью выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления со способностью обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных периодически повторяющихся промежутков времени.

В настоящем документе термины «перезаряжать» или «повторно подключать к источнику питания» относятся к восстановлению до состояния повышенной способности выполнять работу. Во многих случаях эти термины могут относиться к возможности восстановления устройства до способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных периодически повторяющихся промежутков времени.

В настоящем документе термин «высвобожденный», или иногда «высвобожденный из формы для литья», означает, что трехмерный объект либо полностью отделен от формы для литья, либо лишь слабо прикреплен к форме для литья, так что может быть извлечен легким встряхиванием.

Термин «многослойный» в настоящем документе относится к размещению, по меньшей мере, двух слоев компонентов поблизости друг от друга таким образом, что, по меньшей мере, часть одной поверхности одного из слоев контактирует с первой поверхностью второго слоя. В некоторых примерах между двумя слоями может находиться покрытие, обеспечивающее сцепление или иные функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.

В настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элементов энергообеспечения, выполненным с возможностью соединения друг с другом компонентов цепи. Например, дорожки цепи могут включать в себя медь или золото, если подложка представляет собой печатную плату, и, как правило, могут представлять собой пленку из меди или золота или печатную пленку в гибкой схеме. Токоотвод представляет собой «дорожку» особого типа. Токоотводы представляют собой дорожки с электрохимической совместимостью, которые позволяют применять токоотводы для передачи электронов на анод или катод электрохимического элемента и от них.

Существуют и другие примеры способов сборки и конфигурации батарей в соответствии с настоящим изобретением, и некоторые из них могут быть описаны в следующих разделах. Тем не менее, для многих из этих примеров существуют выбранные параметры и характеристики батарей, которые могут быть описаны отдельно. В следующих разделах будет уделено внимание некоторым характеристикам и параметрам.

Электрохимические элементы питания, как правило, включают 6 основных компонентов, положительный электрод, содержащий окисляющий агент; отрицательный электрод, содержащий восстанавливающий агент; электролит с ионной проводимостью, размещенный между двумя электродами; проницаемый разделитель, который обеспечивает электронную изоляцию между положительным и отрицательным электродами, однако не препятствует свободному прохождению ионов между двумя электродами; а также контейнер или оболочку элемента, которые содержат вышеперечисленные компоненты, предотвращая их утечку из элемента, а также предотвращая попадание из окружающей среды жидкостей, газов и паров. Различные примеры каждого компонента описаны в настоящем документе. Особое внимание будет уделяться способам формирования положительных электродов. Необязательно могут присутствовать другие компоненты элемента, например, проводящие внутренние контакты электродов (которые называются «токоотводы»), проводящие поверхности внешних контактов (которые называются «выводы»), трубка и этикетка или оболочка.

В некоторых примерах положительный электрод может содержать различные виды MnO2. Неочищенный природный MnO2, добываемый непосредственно из недр земли, может использоваться в элементах предшествующего уровня техники, например, в элементах Лекланше и некоторых видах элементов из ZnCl2. Для обеспечения более высокой производительности в элементах современного уровня техники, таких как элементы из высококачественного ZnCl2, щелочные диоксид марганцевые и литиевые первичные элементы, в качестве положительного активного материала используется синтетический электроосажденный MnO2, который называется «электролитический диоксид марганца» или «EMD». В «литий-ионных» элементах положительный активный материал может представлять собой LixMnO2, который синтезируется из порошка EMD и соли или гидроксида лития.

Коммерческий EMD производится путем электролитического осаждения горячего раствора MnSO4+H2SO4 на титановый электрод (положительно поляризованный). Противоэлектрод (отрицательно поляризованный), который может представлять собой графит, медь или нержавеющую сталь, выделяет газ Н2 в процессе электроосаждения. EMD осаждается на титановый электрод в виде крепкого, адгезивного, пористого блока. В некоторых примерах через несколько недель электроосаждения блок EMD можно отделить от титана. В некоторых примерах его можно отделить путем раздробления с помощью молотка для получения больших кусков, которые собирают, раздавливают, измельчают, промывают, нейтрализуют и осторожно сушат для получения коммерческого порошка EMD. В некоторых коммерческих процессах промывание, нейтрализация и высушивание могут предшествовать этапу измельчения.

Во многих примерах коммерческий порошок EMD является отправной точкой для создания батарей, содержащих EMD. Независимо от системы батареи порошок EMD можно смешивать с проводящей добавкой (как правило, это сажа и/или графит), необязательными связующими веществами, электролитом и другими добавками, а затем формировать положительный электрод. Положительный электрод может быть спрессован в твердый диск, пластину или цилиндр, либо его можно экструдировать в виде пасты, либо наносить в виде густой смеси на металлическую фольгу или металлическую сетку.

Потребность использования таких порошковых смесей, паст или густых смесей может представлять сложность при работе с очень маленькими положительными электродами, например, с количеством положительного активного материала 100 мг или менее, или даже с количеством всего лишь 10 мг, 1 мг и менее 1 мг. Контролировать размещение такого малого количества порошка, пасты или густой смеси может быть сложно. Кроме того, могут появляться отрицательные характеристики, если в сформированном электроде отсутствует однородность композиции, пористость и плотность из-за малых размеров. Также может быть трудно контролировать общее количество активного материала в одном электроде или гарантировать хороший электрический контакт между положительным активным материалом и положительным токоотводом. Кроме того, может быть трудно избегать загрязнения активным материалом близлежащих поверхностей, в частности, герметизирующих поверхностей, вследствие малых размеров, которые можно захватить, когда компоненты будут установлены. Кроме того, потребность добавлять проводящую добавку, такую как сажа или графит, обязательно уменьшает количество активного материала, которое можно включить в заданный объем.

В изобретении, описанном в настоящем документе, для формирования электрода применяется электроосаждение твердой массы с целью исключить или минимизировать все вышеперечисленные ограничения. Электроосаждение EMD непосредственно на электроды обеспечивает возможность формировать очень маленькие электрохимические элементы питания с положительным электродом из диоксида марганца. В некоторых примерах также могут быть изготовлены элементы необычной конфигурации.

Элементы нормального размера с повышенной объемной и гравиметрической плотностью энергии также могут быть изготовлены за счет исключения углеродной проводящей добавки из положительного электрода. Исключение углеродной добавки может также способствовать предотвращению образования CO или CO2 во время хранения герметично запечатанных элементов, что может способствовать формированию действительно герметичного элемента, не испускающего в окружающую среду газ или пар, не требуя, таким образом, наличия отводной трубки. Тем не менее, подобное изменение может не повлиять на выделение газов на стороне анода. Кроме того, может отсутствовать необходимость применять отдельный токоотвод в положительном электроде, поскольку титановая подложка, на которую был нанесен EMD, также может выполнять роль токоотвода в конечном электрохимическом элементе.

Как правило, EMD имеет отличную адгезию с подобными титановыми подложками, когда осаждение осуществляется при благоприятных условиях. Условия осаждения EMD, например, композиция ванны, время, температура и плотность тока, можно изменять и контролировать, их можно подбирать для обеспечения высокой степени адгезии с титановой подложкой и наилучших электрохимических характеристик разряда в конечном электрохимическом элементе. В некоторых альтернативных примерах могут применяться подложки, выполненные не только из титана, а, например, из углерода, наполненного углеродом пластика (который может быть также известен как электропроводящий пластик), циркония, гафния, тантала, ниобия, одного из металлов платиновой группы и пр.

Пример конструкции биомедицинского устройства с биосовместимыми элементами энергообеспечения

Примером биомедицинского устройства, в которое могут быть встроены элементы подачи питания (батареи) настоящего изобретения, может быть электроактивная контактная линза с переменным фокусом. На Фиг. 1А в качестве примера вставки для такой контактной линзы показана вставка 100 для контактной линзы. Во вставке 100 для контактной линзы может находиться электроактивный элемент 120, который может изменять фокусные характеристики в ответ на управляющие сигналы напряжения. Цепь 105 для обеспечения этих управляющих сигналов напряжения, а также для обеспечения других функций, таких как датчик, контролирующий условия окружающей среды для внешних контрольных сигналов, может получать электропитание от биосовместимого элемента 110 батареи. Как показано на Фиг. 1А, элемент 110 батареи может состоять из множества крупных деталей, в данном случае трех деталей, и может включать в себя химические элементы батареи различной конфигурации, как описано выше. Элементы 110 батареи могут иметь различные соединительные элементы для соединения вместе деталей, как показано на рисунке, лежащих ниже области соединения 114. Элементы 110 батареи могут быть подключены к элементу 105 цепи, который может иметь собственную подложку 115, на которой могут быть размещены соединительные элементы 125 и 130. Цепь 105, которая может быть в форме интегральной схемы, может быть электрически и физически подключена к подложке 115 и ее соединительным элементам 125 и 130.

На Фиг. 1В показано, что рельеф в поперечном сечении контактной линзы 150 может содержать вставку 100 для контактной линзы и ее компоненты, описанные выше. Вставка контактной линзы 100 может быть заключена в гидрогелевый край контактной линзы 155, который может вмещать вставку контактной линзы 100 и обеспечивать комфортное взаимодействие контактной линзы 150 с глазом пользователя.

Требования по электропитанию микробатарей

Другая область конструктивных соображений может относиться к требованиям по электропитанию устройства, которое может обеспечиваться батареей. Для функционирования в качестве источника питания для медицинского устройства соответствующей батарее может потребоваться полностью удовлетворять требованиям по электропитанию системы при эксплуатации в автономном режиме или без внешних источников питания. Развивающаяся область биомедицинских устройств, работающих автономно или без внешних источников питания, может включать в себя, например, контактные линзы для коррекции зрения, устройства для контроля состояния здоровья, камеры-таблетки и другие новые устройства. Последние разработки в области технологии интегральных схем (ИС) могут позволять эксплуатировать электрические устройства на очень низких уровнях тока, например на уровне пикоампер для тока холостого хода и на уровне микроампер для рабочего тока. ИС могут позволять также значительно уменьшить размеры устройств.

Микробатареям для биомедицинских сфер применения может быть необходимо одновременно удовлетворять ряд сложных требований. Например, от микробатарей может требоваться наличие возможности обеспечивать приемлемое рабочее напряжение для встроенных электрических цепей. Это рабочее напряжение может зависеть от нескольких факторов, включая функциональный «узел» ИС, выходной сигнал напряжения из цепи на другое устройство, а также конкретный целевой показатель по потребляемому току, который также может относиться к расчетному сроку службы устройства.

С точки зрения функции ИС узлы, как правило, могут различаться по минимальному размеру элемента транзистора, такому как так называемый «канал транзистора». Этот физический элемент, наряду с другими параметрами производства ИС, такими как толщина слоя подзатворной окиси, может быть связан с полученным номинальным пороговым напряжением, или напряжением включения полевых транзисторов (FET), произведенных для конкретного функционального узла. Например, в узле с минимальным размером элемента 0,5 микрон применяются, как правило, полевые транзисторы с напряжением включения 5,0 В. Однако при минимальном размере элемента 90 нм FET могут включаться при напряжении 1,2, 1,8 и 2,5 В. Изготовители ИС могут поставлять стандартные гальванические элементы цифровых блоков, например инвертеры и триггеры с характеристиками, соответствующими определенным диапазонам напряжения. Конструкторы выбирают функциональный узел ИС на основании ряда факторов, включая плотность цифровых устройств, возможность совмещения аналоговых и цифровых схем, ток утечки, количество слоев соединений и доступность специальных устройств, таких как полевые транзисторы высокого напряжения. Принимая во внимание эти параметрические аспекты электрических компонентов, которые могут получать электропитание от микробатареи, может быть важно обеспечить, чтобы источник питания микробатареи соответствовал требованиям выбранного функционального узла и конфигурации ИС, особенно с точки зрения доступного уровня напряжения и тока.

В некоторых примерах электрическая цепь, получающая электропитание от микробатареи, может быть подключена к другому устройству. В качестве не имеющего ограничительного характера примера электрическая цепь, получающая электропитание от микробатареи, может быть подключена к исполнительному механизму или преобразователю. В зависимости от сферы применения это может быть светодиод (LED), датчик, микроэлектромеханический (MEMS) дозатор и многие другие подобные устройства. В некоторых примерах устройствам, соединенным таким образом, может требоваться более высокое рабочее напряжение, чем стандартным функциональным узлам ИС. Например, линза с переменным фокусом может требовать напряжения 35 В. Следовательно, рабочее напряжение, обеспечиваемое батареей, может быть критическим фактором при проектировании такой системы. В некоторых примерах, связанных с такими факторами, эффективность привода линзы, преобразующего напряжение батареи 1 В в напряжение 35 В, может быть значительно ниже, чем эффективность привода, работающего от батареи 2 В. Дополнительные требования, такие как размер кристалла, могут значительно различаться, в том числе с учетом рабочих параметров микробатареи.

Отдельные гальванические элементы батареи, как правило, могут характеризоваться напряжением при разомкнутой цепи, напряжением с нагрузкой и напряжением отсечки. Напряжение при разомкнутой цепи представляет собой потенциал, создаваемый гальваническим элементом батареи при бесконечном сопротивлении нагрузки. Напряжение с нагрузкой представляет собой потенциал, создаваемый гальваническим элементом при подключении к выводам гальванического элемента нагрузки с соответствующей и, как правило, также установленной величиной полного сопротивления. Напряжение отсечки представляет собой, как правило, напряжение, при котором большая часть батареи разряжена. Напряжение отсечки может представлять собой напряжение, или степень разряда, ниже которого батарею нельзя разряжать во избежание нежелательных последствий, таких как сильное выделение газов. Напряжение отсечки может зависеть, как правило, не от самой батареи, а от цепи, к которой подключена батарея, например от рабочего напряжения электронной цепи. В одном примере щелочной гальванический элемент может иметь напряжение при разомкнутой цепи 1,6 В, напряжение с нагрузкой в диапазоне от 1,0 до 1,5 В и напряжение отсечки 1,0 В. Напряжение, создаваемое гальваническим элементом микробатареи конкретной конфигурации, может зависеть и от других характеристик используемого химического состава гальванического элемента. И поэтому разные по химическому составу гальванические элементы могут иметь разные показатели напряжения элемента.

Для увеличения напряжения гальванические элементы могут подключаться последовательно; однако эта комбинация может повлечь за собой увеличение размеров, повышение внутреннего сопротивления и усложнение батареи. Гальванические элементы также можно объединять в параллельные конфигурации, чтобы снизить сопротивление и увеличить емкость; однако эта комбинация может повлечь за собой увеличение размера батареи и сокращение срока хранения.

Емкость батареи может представлять собой способность батареи передавать ток или выполнять работу в течение определенного периода времени. Емкость батареи можно, как правило, указать в таких единицах, как микроампер-часы. Батарея, которая может обеспечивать 1 микроампер тока в течение 1 часа, имеет емкость 1 микроампер-час. Как правило, емкость батареи можно повысить путем увеличения массы (и, следовательно, объема) реагентов внутри устройства батареи; тем не менее, следует учитывать, что биомедицинские устройства могут быть существенно ограничены по доступному объему. На емкость батареи также может влиять материал электрода и электролита, а также другие факторы, например физическая конструкция электродов, свойства и размеры материала любого сепаратора, расположенного между электродами, и относительные пропорции анода, активных материалов катода, электропроводных материалов и электролита.

В зависимости от требований к цепи, к которой подключена батарея, от батареи может требоваться служить источником тока определенного диапазона величин. Во время хранения до активного применения через схемы, соединения и изоляторы может протекать ток утечки величиной порядка от нескольких пикоампер до нескольких наноампер. В период активной эксплуатации цепь может потреблять ток покоя для считывания показаний датчиков, запуска таймеров и выполнения других подобных функций с низким потреблением энергии. Потребление тока покоя может составлять величину порядка от нескольких наноампер до нескольких миллиампер. Цепь также может иметь еще большие потребности по пиковому току, например, при записи данных в электрически программируемую постоянную память или при их передаче на радиочастоте (РЧ). Этот пиковый ток может составлять до десятков миллиампер или более. Активное и полное сопротивление микробатареи также может быть важным для аспектов конфигурации.

Срок хранения, как правило, относится к периоду времени, в течение которого батарея может поддерживать подходящие рабочие параметры. Срок хранения может быть особенно важным для биомедицинских устройств по нескольким причинам. Электронные устройства могут заменять собой устройства, не подключаемые к электропитанию, например, в случае внедрения электронных контактных линз. Изделия в этих существующих сегментах рынка могут иметь установленные требования к срокам хранения, например три года, исходя из пожеланий потребителей, особенностей цепочки поставок и других требований. Как правило, изменение таких технических требований для новых изделий считается нежелательным. Требования к сроку хранения могут быть также установлены с учетом факторов распределения, инвентаризации и способов применения устройства, включающего в себя микробатарею. Соответственно, микробатареи для биомедицинских устройств могут иметь конкретные требования к сроку хранения, которые можно измерять, например, количеством лет.

В некоторых примерах трехмерные биосовместимые элементы подачи питания могут быть перезаряжаемыми. Например, индукционная катушка может быть также изготовлена на трехмерной поверхности. Впоследствии индукционная катушка может получать энергообеспечение с помощью радиочастотного (РЧ) импульса. Индукционную катушку можно подключить к трехмерному биосовместимому элементу питания для подзарядки элемента питания при подаче РЧ на индукционную катушку. В другом примере фотоэлектрические устройства также можно изготовить на трехмерной поверхности и подключить к трехмерному биосовместимому элементу питания. Под действием света или фотонов фотоэлектрические устройства будут продуцировать электроны для подзарядки элемента питания.

В некоторых примерах батареи могут функционировать для обеспечения электрической системы электрической энергией. В этих примерах батарея может быть электрически подключена к цепи электрической системы. Связи между цепью и батареей можно классифицировать как соединения. Эти соединения могут со временем представлять проблему для биомедицинских микробатарей ввиду нескольких факторов. В некоторых примерах биомедицинские устройства с электропитанием могут быть очень маленькими, предоставляя таким образом малые площади и объемы для соединений. Ограничения по размеру и площади могут отрицательно повлиять на величину электрического сопротивления и надежность соединений.

Кроме того, батарея может содержать жидкий электролит, который может закипать при высокой температуре. Данное ограничение может прямо конкурировать с желанием применения паяного соединения, которое может плавиться, например, при относительно высоких температурах, таких как 250 градусов Цельсия. Хотя в некоторых примерах химические компоненты батареи, включающие в себя электролит, и источник тепла, применяемый для образования паяных соединений, могут быть пространственно отделены друг от друга. В случае перспективных биомедицинских устройств малый размер может препятствовать разделению электролита и паяных соединений расстоянием, достаточным для уменьшения проводимости.

Компоненты модульной батареи

В некоторых примерах можно изготовить компонент модульной батареи в соответствии с некоторыми аспектами и примерами настоящего изобретения. В этих примерах узел модульной батареи может быть компонентом, отдельным от других частей биомедицинского устройства. В примере устройства офтальмологической контактной линзы такая конфигурация может включать в себя модульную батарею, которая является отдельной от остальной части вкладыша-субстрата. Существует множество преимуществ формирования компонента модульной батареи. Например, в примере контактной линзы компонент модульной батареи можно образовывать в ходе отдельного, независимого процесса, что может ослабить необходимость в манипуляциях с жесткими трехмерными оптическими пластиковыми компонентами. Кроме того, средства изготовления могут быть более гибкими и могут выполнять операции в более параллельном режиме с изготовлением других компонентов биомедицинского устройства. Кроме того, изготовление компонентов модульной батареи может быть отделено от характеристик устройств трехмерной (3D) формы. Например, в сферах применения, требующих конечные трехмерные формы, систему модульной батареи можно изготовить в плоском или приблизительно двухмерном (2D) виде, а впоследствии придать ей соответствующую трехмерную форму. В некоторых примерах батарея может иметь достаточно небольшие размеры для того, чтобы не нарушать трехмерную форму, даже если она не согнута. В некоторых других примерах множество соединенных небольших батарей может быть установлено в пространство трехмерной формы. Компонент модульной батареи можно испытывать независимо от остальной части биомедицинского устройства и потерю выхода из-за компонентов батареи можно отбраковать до начала сборки. Полученный компонент модульной батареи можно использовать в различных конструкциях вкладыша-субстрата, которые не имеют соответствующей жесткой области, на которой можно было бы разместить компоненты батареи; а еще в одном дополнительном примере применение компонентов модульной батареи может облегчить применение различных вариантов технологий изготовления, отличных от тех, что могли бы быть использованы в ином случае, таких как рулонная (roll to roll) технология, листовая (sheet-to-sheet) технология, печать, литография и ракельная печать. В некоторых примерах модульной батареи аспект дискретной герметичности такого устройства может привести к добавлению дополнительного материала к общей конструкции биомедицинского устройства. Такие воздействия могут установить ограничение на применение решений в виде модульных батарей в случаях, когда параметры имеющегося пространства требуют минимизировать толщину или объем решений.

Трубки в качестве элементов конфигурации в конфигурации компонента батареи

В некоторых примерах элементы батареи могут быть выполнены таким образом, чтобы было обеспечено разделение областей активных химических составляющих батареи на сегменты с помощью жесткого уплотнения. В некоторых примерах эти уплотнения могут быть герметичными. При разделении активных компонентов батареи на герметично уплотненные сегменты, которые обычно могут иметь форму трубок, могут быть получены многочисленные преимущества. Батареи трубчатой формы с внешними компонентами из металлов, стекла или керамики могут обеспечить идеальный аспект проектирования на уровне архитектуры. В некоторых примерах материалы могут быть выбраны таким образом, что уплотнения, которые сформированы между материалами, могут рассматривать как «герметичные», поскольку диффузия молекул через это уплотнение может быть ниже спецификации согласно протоколу испытаний для «типа уплотнения или типа способа, применяемого для создания уплотнения». Например, электронные компоненты, такие как батареи, могут иметь некоторый объем воздуха или некоторый объем, «эквивалентный некоторому количеству воздуха» внутри них, и спецификация герметичности может относиться к уплотнению, имеющему скорость утечки ниже определенного уровня, при которой 50% от объема устройства замещается воздухом, забираемым снаружи уплотнения. Трубчатая батарея большого размера может быть сформирована с применением одного или больше способов, которые будут обсуждаться в последующих разделах настоящего описания, согласно которым может быть измерен низкий уровень утечки для определения герметичности уплотнения для данной батареи. На практике малоразмерные трубчатые батареи или микробатареи, например, приведенные в настоящем описании, в некоторых примерах могут иметь объем порядка 10-4 см3. Способность устройства обнаружения утечек измерять достаточно низкую скорость утечки для установления того, что уплотнение микробатареи является «герметичным», может быть недостижимой для применяемых в настоящее время способов обнаружения утечки; тем не менее, уплотнительный слой микробатареи может именоваться герметичным, так как аналогичная обработка и материалы, когда они применяются к батарее крупой формы, приводят к значительно низкой скорости утечки, достаточной для того, чтобы считать уплотнительный слой и материалы «герметичными».

На Фиг. 2А показан базовый пример батареи трубчатой формы с основным металлическим корпусом с изолятором батареи 200. В этом примере два металлических компонента, анодный контакт 211 и катодный контакт 221, представляют собой металлические трубки, которые окружают материал. Химические составляющие 212 анода могут быть расположены внутри анодного контакта 211. Химические составляющие 222 катода могут быть расположены внутри катодного контакта 221. В некоторых примерах химические составляющие 222 катода и химические составляющие 212 анода могут быть разделены сепаратором 240. Контакты батареи должны быть изолированы друг от друга для создания функционализированной батареи, поскольку их электрическое соединение может привести к разряду батареи. В основном примере по Фиг. 2А изолятор 230 электрически разделяет анод и катод.

Как показано на фигуре, изолятор 230 может представлять собой физический элемент, который самостоятельно выступает в качестве герметизатора материала внутри батареи и в качестве части диффузионного барьера для препятствования переносу химических составляющих в батарею или из нее. В последнем разделе обсуждается описание различных типов уплотнений, включая герметичные уплотнения и способы их формирования. Примеры уплотнений в примере по Фиг. 2А могут представлять собой металлические, или керамические, или металлостеклянные уплотнения. В примере по Фиг. 2A показаны, например, по меньшей мере, два из этих уплотнений: уплотнение 231 и уплотнение 232.

На Фиг. 2B показана альтернативная батарея 250 трубчатой формы со структурой, которая аналогична структуре для устройства по Фиг. 2A. Альтернативная батарея 250 трубчатой формы может содержать анодную область 260 с анодным контактом 261 и анодные химические составляющие 262. Она также может иметь катодную область 270 с металлической трубкой, содержащей химические составляющие 272 катода и определяющей катодный контакт 271. Изолирующий элемент 280, который разделяет анодный контакт 261 и катодный контакт 271, может содержать изолятор для металлических уплотнений, как показано на уплотнении 281 и уплотнении 282. Как и в примере по Фиг. 2А, изолятор для металлических уплотнений в некоторых примерах может представлять собой герметичные уплотнения. Изолятор может электрически разделять анод 260 и катод 270, а сепаратор 290 может физически разделять анод 260 и катод 270. В этом втором примере для анодного контакта, катодного контакта и изолятора также применены твердые материалы, которые значительно блокируют диффузию молекул и атомов через их границу. В случае применения герметичных уплотнений в уплотнении 281 и уплотнении 282 может быть получена полностью герметичная батарея трубчатой формы.

На Фиг. 3 показан еще один пример батареи трубчатой формы. В перекрывающейся батарее 300 трубчатой формы металлическая банка над анодом или катодом может значительно перекрывать изолирующий элемент, который может быть значительно перекрыт металлической банкой над другой областью батареи. В частности, в показанной форме анод 310 содержит металлическую банку, которая также выступает в роли анодного контакта 311 и окружает химические составляющие 312 анода. Металлическая банка анода в показанной конструкции также значительно перекрывает изолирующий элемент 330, который сам по себе значительно перекрыт металлической банкой катодной области 320. Катодный металл может окружать химические составляющие 322 катода и является катодным контактом 321. В настоящем примере химические составляющие 322 катода и химические составляющие 312 анода физически разделены сепаратором 340. На изображениях трубки в целях иллюстрации могут быть показаны либо обе, либо одна из анодных или катодных химических составляющих; причем в некоторых примерах физическая форма может быть похожей на проиллюстрированную, а фактические химические составляющие в других примерах могут представлять собой пленки, которые покрывают часть пространства. В примере перекрывающейся батареи 300 трубчатой формы может быть применено максимальное количество уплотнительных поверхностей между металлом и изолирующими элементами. Эти уплотнения изображены как уплотнение 331 и уплотнение 332, которое, как можно видеть, перекрывает значительную часть трубчатой батареи.

На Фиг. 4 показана альтернативная трубчатая форма 400. В примерах этого типа центральный изолирующий элемент 430 взаимодействует с металлическими концевыми колпачками для наружных контактов. Иллюстративная анодная область 410 может включать в себя металлический контакт 411 анода и химические составляющие 412 анода. Уплотнение 431 центрального изолирующего элемента 430 может быть выполнено с металлическим контактом 411 анода. В иллюстративной катодной области 420 может находиться металлический контакт 421 катода и химические составляющие 422 катода, а также уплотнение 432 между центральным изолирующим элементом 430 и металлическим контактом 421 катода. Конфигурация этого типа может иметь наименьшую область для уплотнения в различных примерах. Центральный изолирующий элемент электрически разделяет катодный и анодный контакты, сепаратор 440 физически разделяет химические составляющие 412 анода и химические составляющие 422 катода.

На Фиг. 5 показана альтернативная батарея 500 трубчатой формы с боковым расположением химических составляющих анода и катода. При этом батарея с таким расположением может быть сформирована в виде трубчатой микробатареи, и это расположение может обеспечить наибольшую область поперечного сечения сепаратора 550, взаимодействующего с химическими составляющими 512 анода и химическими составляющими 522 катода и разделяющего их. На иллюстрации верхняя область может представлять собой анодную область 510 с химическими составляющими 512 анода, анодным контактом 511 и анодным уплотнением 531 вокруг анодного контакта 511. В некоторых примерах один элемент изолятора 530 может быть сформирован с отверстиями на одном конце для анодного и катодного контактов, в некоторых других примерах могут применять два или более изолирующих элемента, причем верхний элемент может представлять собой отдельный элемент с отверстиями для анодного и катодного контактов. На иллюстрации нижняя область может представлять собой катодную область 520 с химическими составляющими 522 катода, катодным контактом 521 и катодным уплотнением 532 вокруг катодного контакта 521.

На Фиг. 6A-6F показано формирование батареи трубчатой формы. Трубка 610 на Фиг. 6А из изолирующего материала, например, стекла или керамики, может быть разрезана на части требуемой длины, как показано на Фиг. 6В. В некоторых примерах стекло может включать в себя боросиликат, стеклоприпои для ковара и других металлов, кварц, натронную известь, алюмосиликат, нейтральное стекло, свинцовое стекло в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера. В некоторых примерах трубка может быть керамической, а примеры типов керамики могут включать в себя оксид алюминия, кремнезем, диоксид циркония, стабилизированный диоксид циркония, циркон, муллит, кордиерит, оксид магния, карбид кремния и фарфор. На Фиг. 6С показан пример электрического контакта металлической проволоки, который может представлять собой анодный контакт 621. В некоторых примерах металлическая проволока может представлять собой цинковую проволоку. В других примерах это может быть проволока из другого металла, например, латуни, которая может быть покрыта цинком 620. Провод может быть окружен и герметизирован уплотняющим материалом 622.

В последующих разделах обсуждается множество типов уплотнений, многие примеры которых соответствуют показанному уплотняющему материалу 622. Согласно Фиг. 6D для формирования катодного контакта может быть применена другая металлическая проволока 630. В некоторых примерах металлическая проволока может представлять собой титановую проволоку. Проволоку может окружать нанесенный слой из катодного материала 631. Другой уплотняющий материал 632 может окружать катодную проволоку 630. Согласно Фиг. 6Е трубка 610 может иметь фитиль 641, который может представлять собой полиолефиновую пленку или целлюлозную пленку. В некоторых примерах это может быть целлюлозная нить, проходящая от анодной области до катодной области. Фитиль 641 может быть расположен в массе электролита 640, помещенного в трубку. В некоторых примерах электролит может представлять собой водный раствор, например раствор ZnCl2. В некоторых других примерах электролит может представлять собой полимерный электролит. Некоторые аспекты различных вариантов электролита обсуждаются в последующих разделах настоящего документа. Как показано на Фиг. 6F, различные компоненты, показанные на Фиг. 6E, 6D и 6C, могут быть собраны с образованием батареи трубчатой формы. Уплотнения между уплотняющим материалом 622 и трубкой 610 и между уплотняющим материалом 632 и трубкой 610 могут содержать многочисленные типы уплотнений, которые описаны в последующих разделах. В некоторых примерах фитиль 641 может представлять собой полный сепаратор, который может обеспечивать разделение более плотно расположенных химических составляющих батареи в отличие от физического разделения, показанного на Фиг. 6A-6F.

В некоторых примерах в качестве варианта конфигурации могут быть добавлены металлические концевые колпачки. Два проводных вывода могут быть встроены в массу изолирующего клея трубчатой формы с обоих концов. Клей трубчатой формы может частично находиться внутри трубчатого изолирующего контейнера батареи и также может частично выступать за пределы контейнера батареи. В некоторых примерах клеи могут прикреплять и герметизировать проводные выводы и изолирующий контейнер. Изолирующий клей может содержать текучие среды батареи и предотвращать утечку текучих сред наружу. Клей может быть термореактивным, термопластичным или представлять собой комбинацию этих двух видов.

На Фиг. 7 показан пример батареи трубчатой формы, которая содержит катодный контакт в виде проволоки. Этот пример может содержать две трубки, одну полую трубку 711 и одну трубку 710, имеющую форму банки, которые вместе могут формировать анодный контакт. Химические составляющие 715 анода могут быть осаждены или иным образом помещены внутрь трубки 710, имеющей форму банки. В некоторых примерах химические составляющие 715 анода могут включать в себя нанесенный цинк. Трубка 710, имеющая форму банки, может быть герметизирована относительно полой трубки 711 с помощью уплотнения 720 «металл-металл». В этом примере может быть применена металлическая проволока 740, которая может быть покрыта химическими составляющими 730 катода. В некоторых примерах химические составляющие 730 катода могут включать в себя нанесенный диоксид марганца. С помощью металлической проволоки 740 могут формировать катодный контакт. В некоторых примерах металлическая проволока может быть образована из титана. Керамический изолирующий элемент 750 может формировать электрическую изоляцию между катодом, образованным из металлической проволоки 740, и анодным контактом, выполненным из комбинации полой трубки 711 и трубки 710, имеющей форму банки. Между полой трубкой 711 и керамическим изолирующим элементом 750 может быть образовано уплотнение 761 «керамика-металл». Кроме того, между керамическим изолирующим элементом и металлической проволокой 740 может быть образовано уплотнение 760.

На Фиг. 8 показан еще один пример батареи трубчатой формы, включающей катодный контакт в виде проволоки и анодный контакт в виде проволоки. Пример может содержать две трубки, первую полую трубку 800 и вторую полую трубку 840, которые вместе могут содержать химические составляющие анода и катода, а также составы электролита. В проиллюстрированном примере проволока из цинка 820 может формировать как анодный контакт, так и химические составляющие анода. В некоторых примерах проволоку из цинка 820 также можно частично наращивать, например, путем нанесения цинка. Первая полая трубка 800 может быть герметизирована относительно второй полой трубки 840 с помощью уплотнительного слоя 830 «металл-металл». В этом примере может быть применена металлическая проволока 850, которая может быть покрыта химическими составляющими катода, которые показаны с нанесенным слоем 860. В некоторых примерах химические составляющие катода могут включать в себя нанесенный диоксид марганца. С помощью металлической проволоки могут формировать катодный контакт. В некоторых примерах металлическая проволока может быть образована из титана. Керамический изолирующий элемент 870 может формировать электрическую изоляцию между катодом, сформированным из металлической проволоки 850, и второй полой трубкой 840. На противоположной стороне в примере батареи может находиться проволока анодного контакта, выполненная из проволоки из цинка 820, которая может быть изолирована вторым керамическим изолирующим элементом 810. Между полой трубкой 840 и керамическим изолирующим элементом 870 может быть образовано уплотнение 871 «керамика-металл». Кроме того, между керамическим изолирующим элементом 870 и металлической проволокой 850 может быть образовано уплотнение 872. Между полой трубкой 800 и керамическим изолирующим элементом 810 может быть образовано уплотнение 811 «керамика-металл». Кроме того, между керамическим изолирующим элементом 810 и металлической проволокой 800 может быть образовано уплотнение 812.

На Фиг. 9 показан еще один пример батареи трубчатой формы, включающей легированный полупроводник. Применение легированных полупроводников может позволить значительно снизить величину герметизируемой кромки, которая требуется в батарее, поскольку электрический контакт обеспечивают в трубке с помощью высоколегированной области. Нелегированные области могут формировать изоляторы между анодной и катодной областями. Для возможности производства батарею могут формировать из двух высоколегированных на концах элементов полупроводника, имеющих форму банки, которые могут быть соединены с помощью шва 930 «полупроводник-полупроводник». Высоколегированный полупроводник при покрытии металлической пленкой, например титановой, или при реагировании с образованием силицида, например силицида титана, может формировать омический контакт с малым сопротивлением. Поскольку полупроводник может быть относительно тонким, в результате может быть получен контакт с низким сопротивлением, который не имеет швов. Если шов 930 «полупроводник-полупроводник» расположен в области сепаратора, перекрытие внутренней химической составляющей со швом может быть очень незначительным. Изображенный на Фиг. 9 пример может содержать две трубки, первую полую полупроводниковую банку 900 и вторую полую полупроводниковую банку 950, которые вместе могут содержать химические составляющие анода и катода, а также составы электролита. В проиллюстрированном примере металлическая пленка 915 может формировать внутренний анодный контакт. Первая полая полупроводниковая банка 900 может иметь высоколегированную область 910. В некоторых примерах высоколегированная область может быть с добавками донорной примеси n-типа, такой как фосфор. Наружный слой 925 металла может формировать внешний анодный контакт. Химические составляющие 920 анода могут быть размещены в банке. В примерах анод может представлять собой осажденные пленки, суспензии или монолитные заглушки. Первая полая полупроводниковая банка 900 может быть герметизирована относительно второй полой полупроводниковой банки 950 с помощью уплотнения 930 «полупроводник-полупроводник», а в некоторых примерах с помощью совмещенного сепаратора 960. В этом примере может быть применена металлическая пленка 975, которая может быть покрыта химическими составляющими катода, которые показаны с нанесенным слоем 940. В некоторых примерах химические составляющие катода могут включать в себя нанесенный диоксид марганца. Высоколегированная область 970 может формировать электрический контакт во второй полой полупроводниковой банке 950, и он может иметь наружный металлический нанесенный слой с образованием катодного контакта 965.

Внутренние уплотнительные слои элемента батареи

В некоторых примерах элементов батареи для применения в биомедицинских устройствах химическое действие батареи включает водный химический состав, где вода или влага представляют собой важный компонент для контроля. Поэтому может быть важно встраивать уплотняющие механизмы, которые ограничивают или предотвращают перемещение влаги либо наружу, либо внутрь тела батареи. Средства защиты от влаги могут быть выполнены с возможностью поддержания уровня внутренней влажности на расчетном уровне в пределах допустимых отклонений. В некоторых примерах средства защиты от влаги можно разделить на две секции или два компонента, а именно изолирующую оболочку и уплотнительный слой.

Оболочкой может считаться основной материал корпуса. В некоторых примерах изолирующая оболочка может содержать насыпной материал. Скорость проникновения водяных паров (WVTR) может быть показателем эффективности, при этом стандарты ISO и ASTM контролируют процедуру испытаний, включая условия окружающей среды во время испытаний. В идеале WVTR для хорошей изолирующей оболочки батареи может быть равна нулю. Примерами материалов с почти нулевой WVTR могут быть стекло и металлическая фольга, а также керамические и металлические элементы. Пластик, с другой стороны, может быть по сути пористым и пропускать влагу, что может значительно варьироваться у разных типов пластика. Как правило, конструкционные материалы, ламинаты или коэкструдаты могут быть гибридами обычных материалов изолирующей оболочки.

Уплотнительный слой может служить разделом между двумя поверхностями герметичной оболочки. Соединение поверхностей уплотнения завершает создание корпуса вместе с изолирующей оболочкой. Во многих примерах характеристики конфигураций уплотнения могут затруднять их оценку для WVTR уплотнения ввиду сложности выполнения измерений с применением стандарта ISO или ASTM, так как размер пробы или площадь поверхности могут быть несовместимы с этими процедурами. В некоторых примерах практическим способом испытания целостности уплотнения может быть функциональное испытание фактической конфигурации уплотнения для некоторых определенных условий. Эффективность уплотнения может зависеть от материала уплотнения, толщины уплотнения, длины уплотнения слоя и ширины уплотнения, а также от адгезии или близости уплотнения к подложкам изолирующей оболочки.

В некоторых примерах уплотнения могут быть образованы с помощью способа сварки, который может включать термическую, лазерную, фрикционную, ультразвуковую или электродуговую сварку, а также сварку растворителем. В других примерах уплотнения могут быть образованы путем применения клейких герметиков, таких как клеи, эпоксидные и акриловые составы, натуральный каучук, синтетический каучук, смолы, гудроны или битумы. Другие примеры могут быть связаны с использованием уплотнительных материалов, которые могут быть изготовлены из натурального и синтетического каучука, политетрафторэтилена (ПТФЭ), полипропилена или силиконов, которые являются лишь немногими примерами, не имеющими ограничительного характера. В некоторых примерах уплотняющий материал может быть термореактивным, термопластичным или представлять собой комбинацию термореактивного и термопластичного материалов.

В некоторых примерах батареи в соответствии с настоящим описанием могут быть выполнены с возможностью обладания установленным сроком эксплуатации. Срок эксплуатации можно оценить путем практического определения объема влагопроницаемости, который можно получить с помощью конкретной системы батареи, а впоследствии путем оценки того, когда такая утечка влаги сможет привести к концу срока жизнеспособности батареи. Например, если батарея хранится во влажной окружающей среде, то разность парциальных давлений внутри и снаружи батареи будет минимальной, что приведет к снижению скорости потери влаги, благодаря чему срок службы батареи может быть продлен. Если тот же пример батареи хранится в особенно сухой и горячей окружающей среде, это может значительно сократить ожидаемый срок службы ввиду ускоренной потери влаги.

Уплотнения металл/металл, металл/стекло, металл/керамика, стекло/стекло, полупроводник/полупроводник и металл/полупроводник

Могут быть применены многочисленные средства для формирования герметичного или хорошо уплотненного соединения между твердыми материалами, которые могут выступать в качестве герметизатора для химической составляющей батареи. Типовые способы формирования надлежащей герметичной механической связи между твердыми материалами включают в себя низкотемпературную пайку, высокотемпературную пайку и сварку. Эти способы в большинстве случаев можно рассматривать как аналогичные, поскольку все они включают в себя термическую обработку как базовых материалов (подлежащих связыванию материалов, которые могут быть либо однородными, либо неоднородными материалами), так и материала-наполнителя, который связывает между собой два базовых материала. Основные различия, существующие между этими способами, состоят в конкретных значениях температуры, применяемых для нагревания материалов согласно каждому способу, и в том, как эти температуры влияют на свойства каждого материала в случае применения в течение длительного периода времени. В частности, как при высокотемпературной пайке, так и при низкотемпературной пайке могут применять температуру, которая выше температуры ликвидуса материала-наполнителя, но ниже температуры солидуса обоих базовых материалов. Основное различие между высокотемпературной пайкой и низкотемпературной пайкой состоит в конкретной применяемой температуре. Например, если применяемая температура ниже 450 °C, способ можно назвать низкотемпературной пайкой, но он может упоминаться как высокотемпературная пайка, если применяемая температура выше 450 °C. Однако при сварке могут применять температуру, которая выше ликвидуса материала-наполнителя и базовых материалов.

Каждый из вышеупомянутых способов может быть применен для различных комбинаций материалов, а конкретные комбинации материалов могут быть связаны друг с другом с применением более чем одного из этих способов. Оптимальный выбор среди этих способов соединения двух материалов может определяться большим количеством характеристик, включая, среди прочих, конкретные свойства материала и температуры ликвидуса требуемых материалов, другие термические свойства требуемых связующих материалов или материалов-наполнителей, технологии, время и точность соединения двух материалов рабочим или машиной и приемлемый уровень механического или поверхностного повреждения связанных материалов с применением каждого способа. В некоторых примерах согласно настоящему изобретению материалы, используемые для соединения двух материалов, могут включать в себя чистые металлы, такие как золото, серебро, индий и платина. Они также могут включать в себя сплавы, например серебро-медь, серебро-цинк, медь-цинк, медь-цинк-серебро, медь-фосфор, серебро-медь-фосфор, золото-серебро, золото-никель, золото-медь, сплавы индия и алюминий-кремний. Они также могут включать в себя активные сплавы для высокотемпературной пайки, например титановые активные сплавы для высокотемпературной пайки, которые могут включать в себя золото, медь, никель, серебро, ванадий или алюминий. Могут быть применены и другие материалы для высокотемпературной пайки, которые могут соответствовать потребностям в герметизации, упомянутым в настоящем описании.

Различные комбинации материалов для каждого из этих способов связывания могут включать в себя металл/металл, металл/стекло, металл/керамику, стекло/стекло, полупроводник/полупроводник и металл/полупроводник.

В примере первого типа может быть сформировано уплотнение «металл-металл». Низкотемпературная пайка, высокотемпературная пайка и сварка представляют собой способы, очень часто используемые для выполнения соединения металл/металл. Поскольку свойства различных металлов могут отличаться довольно сильно друг от друга, температура перехода металла в жидкое состояние, как правило, может считаться решающим показателем при выборе метода связывания с желаемым металлом, так, например, у основного металла может быть настолько низкая температура перехода в жидкое состояние, что он будет быстро плавиться при температурах пайки, или же у основного металла может быть настолько высокая температура перехода в жидкое состояние, что он не будет химически реагировать на температуру пайки для образования соответствующей связи.

В примере другого типа может быть образовано уплотнение «металл-стекло» (или «стекло-металл»). Из-за неоднородности металла и стекла как материалов типовые способы соединения металла с металлом могут не обеспечивать связывание металлов со стеклом. Например, типовые материалы-наполнители, используемые при низкотемпературной пайке металл/металл, могут хорошо связываться с металлом, но могут не реагировать со стеклом для создания связи с его поверхностью при термической обработке. Одной из возможностей преодоления этой проблемы может быть применение других материалов, таких как эпоксидные смолы, которые связываются с обоими материалами. Типовые эпоксидные смолы имеют в своей структуре боковые гидроксильные группы, которые могут обеспечивать сильное связывание с неорганическими материалами. Эпоксидная смола может быть легким и недорогим средством связывания материалов благодаря возможности универсального склеивания со многими типами поверхностей. Эпоксидные смолы можно легко отверждать одинаково успешно как до, так и после нанесения с помощью многих способов, таких как смешивание химических веществ, которые затем быстро наносят, тепловое, световое или другие виды излучения, которые передают энергию в эпоксидную смолу, вызывая реакцию связывания/отверждения, или с помощью других способов. Многие различные типы эпоксидных смол могут иметь различную приемлемость для различных вариантов применения в зависимости от множества различных свойств, включая, среди прочих, прочность сцепления, легкость применения, способ отверждения, время отверждения, связующие материалы и многие другие. Для достижения полностью герметичного уплотнения с помощью эпоксидной смолы необходимо учитывать скорость утечки определенных текучих сред через эпоксидную смолу. Однако герметичное уплотнение с помощью эпоксидной смолы обеспечивает гибкость применения медных сплавов для проводов или контактов с сохранением герметичности уплотнения в отличие от менее электропроводящих материалов, которые необходимы для других типов связывания или создания герметичного уплотнения. Однако эпоксидные уплотнительные слои, как правило, являются устойчивыми в гораздо более ограниченных диапазонах рабочих температур, чем в случае применения других способов связывания, и могут также иметь значительно более низкую прочность связи.

В примере другого типа может быть образовано уплотнение «металл-керамика» (или «керамика-металл»). Высокотемпературную пайку можно рассматривать в качестве типового способа получения соединения «металл-керамика», и существует множество проверенных и одобренных способов достижения герметичного уплотнения между этими материалами. Они могут включать в себя способ нанесения молибден-марганец/никелевого покрытия, в котором частицы молибдена и марганца смешивают со стеклянными добавками и летучими носителями с образованием покрытия, которое наносят на керамическую поверхность, в отношении которой будет произведена высокотемпературная пайка. Это покрытие обрабатывают, а затем покрывают никелем и производят дополнительную обработку для возможности легкого выполнения высокотемпературной пайки с применением стандартных способов и материалов-наполнителей.

Осаждение тонкой пленки также можно рассматривать как еще один широко применяемый способ высокотемпературной пайки. В этом способе комбинация материалов может быть нанесена на неметаллическую поверхность с применением способа физического осаждения из паровой фазы (РVD). Выбор наносимых материалов может зависеть от требуемых свойств материала или толщин слоя, а иногда наносят множество слоев. Этот способ имеет много преимуществ, включая большое разнообразие возможных металлов для использования, а также скорость и надежный постоянный успех в случае применения со стандартными материалами. Однако существуют и недостатки, в том числе необходимость применения специализированного PVD-оборудования для нанесения покрытий, необходимость в применении сложных техник маскирования, если требуется маскирование, и геометрические ограничения с керамикой, которые могут препятствовать достижению однородных толщин покрытия.

Связывание материала Nanofoil®

Коммерчески доступный продукт Nanofoil® представляет собой нанотехнологический материал, производимый компанией Indium Corporation, который может стать важным примером того, когда может потребоваться герметизация металлической, керамической и/или полупроводниковой защитной оболочки для батарей. В некоторых примерах может быть желательным, чтобы любые тепловые эффекты при формировании уплотнения были по возможности максимально локализованы в самом уплотнении. Композитные материалы, такие как материал Nanofoil®, могут обеспечить значительную термическую локализацию с одновременным формированием герметично связанных уплотннений. Композитные пленки типа Nanofoil® могут быть изготовлены из сотен или тысяч уровней наноразмерных пленок. В одном примере реактивную многослойную фольгу изготавливают путем парового осаждения тысяч чередующихся слоев алюминия (Al) и никеля (Ni). Эти слои могут иметь толщину в несколько нанометров. При активации небольшим импульсом локальной энергии из электрических, оптических или тепловых источников фольга реагирует экзотермически. Результирующая экзотермическая реакция передает измеримый объем энергии за тысячные доли секунд с нагревом на поверхностях до очень высоких локальных температур, но может быть спроектирована таким образом, чтобы не доставлять весь объем энергии, который увеличивал бы температуру в герметизируемых металлических, керамических или полупроводниковых элементах. На Фиг. 10А выделена часть уплотнения 830, показанного на Фиг. 8. На Фиг. 10В приведен пример слоев, которые относятся к уплотнению перед активацией материала Nanofoil. Первая полая трубка 800 и вторая полая трубка 840 могут быть покрыты слоем предварительно увлажненного припоя с каждой стороны: первым слоем 1010 припоя и вторым слоем 1030 припоя. Между двумя слоями припоя может быть размещена часть материала 1020 Nanofoil®. При активации материала Nanofoil® он может локально расплавлять слои припоя и формировать уплотнение 830. На иллюстрации изображено соединение встык, но возможно применение многих других соединительных структур, включая конфигурации с перекрыванием, конфигурации с пазами и другие типы соединений, причем часть материала Nanofoil® может быть расположена между двумя герметизируемыми поверхностями, которые имеют поверхностное покрытием припоем.

Герметизация S-Bond®

Другим примером, аналогичным связыванию материала Nanofoil®, может быть связывание материала S-Bond®. Материал S-Bond® может содержать стандартное основание из сплава припоя с добавлением к материалу титана или других редкоземельных элементов, и его производит компания S-Bond Technologies. Активные материалы, такие как титан, реагируют с оксидами или другими инертными материалами на границе взаимодействия и либо химически связаны с ними, либо транспортируют их в расплав припоя. При нагревании материалы S-bond® могут плавиться, но в то же время содержать тонкий поверхностный слой оксида. Когда этот поверхностный оксид разрушается, происходят реагирования активного материала с поверхностными областями связующего/уплотняющего материала. Оксид может быть разрушен в результате соскабливания, но также может быть разрушен ультразвуком. Поэтому поверхностную реакцию можно инициировать при относительно низкой температуре, и связь может быть образована с материалами, с которыми может быть сложно создать связь иным способом. В некоторых примерах материал S-Bond® может быть скомбинирован с материалом Nanofoil® с образованием структуры, которая может быть локально связана без существенной тепловой нагрузки с остальной частью системы батареи.

Связывание кремния

В некоторых примерах связывание кремния может быть выполнено с помощью материала S-Bond®. Композиция, содержащая S-Bond® 220M, может быть применена в некоторых примерах с образованием интерфейса, который можно припаивать. Материал S-Bond® 220M может быть нанесен на кремниевую поверхность, предназначенную для связывания/уплотнения при температурах в диапазоне от 115 до 400 °C. Таким образом, имеющие форму банки кремниевые элементы могут быть сильнолегированными на закрытых торцах либо путем применения легированных пленок, таких как POCl, либо путем имплантации, либо с помощью других способов легирования. Другие средства могут включать в себя оксидирование тела полупроводника, а затем химическое травление оксида в областях, где требуется легирующая примесь. Затем легированные области могут подвергать воздействию титана и нагревать с образованием силицида. Области кремниевых банок, которые применяют для формирования уплотнений, могут содержать нанесенный на них материал S-Bond 220M, нагретый до появления влаги на поверхности кремния или поверхности силицида. В некоторых примерах пленка материала Nanofoil® может быть нанесена в области уплотнения для последующей активации. Химическая составляющая батареи, электролит и другие структуры могут образовывать половины банки, а затем эти две половины могут быть совмещены. При одновременной активации ультразвуком и при активации материала Nanofoil® может быть быстро образовано низкотемпературное герметичное уплотнение.

Толщина модуля батареи

При проектировании компонентов батареи для биомедицинских сфер применения можно корректировать различные параметры, находя компромисс между техническими и функциональными требованиями, а также требованиями безопасности. Толщина компонента батареи может быть важным и ограничивающим параметром. Например, в сфере применения оптической линзы от толщины биомедицинского устройства может в значительной мере зависеть способность устройства быть комфортным при ношении пользователем. Поэтому существуют важные аспекты при проектировании батарей, позволяющие сделать их более тонкими. В некоторых примерах толщина батареи может определяться объединенной толщиной верхнего и нижнего листов, разделительных листов и слоя адгезива. Практические аспекты изготовления могут потребовать соответствия определенных параметров толщины пленки стандартным значениям для имеющегося листового материала. Кроме того, пленки могут иметь минимальные значения толщины, которые могут быть установлены на основании технических соображений, касающихся химической совместимости, проницаемости для жидкостей и газов, обработки поверхности и совместимости с покрытиями, которые могут быть нанесены поверх слоев пленки.

В некоторых примерах требуемая или целевая толщина готового компонента батареи может представлять собой толщину компонента, составляющую менее 220 мкм. В этих примерах эта требуемая толщина может быть обусловлена трехмерной геометрией иллюстративного устройства офтальмологической линзы, причем может потребоваться посадка компонента батареи внутрь имеющегося объема, образованного формой гидрогелевой линзы, с учетом определенного уровня комфорта конечного пользователя, биосовместимости и критериев приемлемости. Этот объем линзы и его воздействие на требования к толщине компонента батареи могут зависеть от общих технических требований к толщине устройства, а также технических требований к ширине, углу конуса и внутреннему диаметру устройства. Другой важный аспект конфигурации итогового компонента батареи может относиться к объему, доступному для активных химических веществ и материалов батареи, с учетом определенной конфигурации компонента батареи в отношении получаемой химической энергии, которая может стать результатом такой конфигурации. Эта итоговая химическая энергия может впоследствии быть сбалансирована для удовлетворения требованиям по электропитанию функционального биомедицинского устройства для целевых условий его срока службы и эксплуатации.

Ширина модуля батареи

Существует множество сфер применения, в которых можно использовать биосовместимые элементы питания или батареи настоящего изобретения. В целом требование к ширине батареи в основном обусловлено сферой ее применения. В иллюстративном случае система батареи контактной линзы может иметь ограничения в технических требованиях к ширине компонента модульной батареи. В некоторых примерах офтальмологического устройства, где устройство имеет функцию с изменяемыми оптическими свойствами с электропитанием от компонента батареи, участок устройства с изменяемыми оптическими свойствами может занимать центральную сферическую область диаметром около 7,0 мм. Элементы батареи в этих примерах можно рассматривать как трехмерный объект, который размещается как коническая кольцевая юбка вокруг центрального оптического участка и образует усеченное коническое кольцо. Если требуемый максимальный диаметр жесткой вставки составляет 8,50 мм, а угол касательной к сфере определенного диаметра можно задать (например, диаметр приблизительно 8,40 мм), то геометрия может определить допустимую ширину батареи. Существуют геометрические модели, которые могут использоваться для расчета желательных технических параметров полученной геометрической формы, которая в некоторых примерах может представлять собой усеченный конус, развернутый в виде сектора кольцевой зоны.

Ширина развернутой батареи может быть обусловлена двумя компонентами элемента батареи: активными компонентами батареи и шириной уплотнения. В некоторых примерах, относящихся к офтальмологическим устройствам, целевая толщина может быть в пределах от 0,100 мм до 0,500 мм на сторону, а ширина активных компонентов батареи может быть установлена как приблизительно 0,800 мм. Другие биомедицинские устройства могут иметь другие ограничения конфигурации, но принципы для гибких плоских элементов батареи могут применяться аналогичным образом.

Гибкость модуля батареи

Другим критерием соответствия конфигурации батареи и конфигурации соответствующих устройств, в которых используются источники энергии на основе батарей, является гибкость компонента батареи. Существует множество преимуществ, предоставляемых гибкими формами батареи. Например, гибкий модуль батареи может облегчить вышеупомянутую возможность изготовления батареи двухмерной (2D) плоской формы. Гибкость формы может позволить двухмерной батарее быть затем преобразованной в соответствующую трехмерную форму, соответствующую форме биомедицинского устройства, такого как контактная линза.

В другом примере преимуществ, которые могут обеспечиваться гибкостью модуля батареи, показано, что если батарея и последующее устройство являются гибкими, то могут возникнуть преимущества, относящиеся к применению устройства. В одном примере форма контактной линзы биомедицинского устройства может иметь преимущества вставки/извлечения контактной линзы на основе вкладыша-субстрата, что может больше напоминать вставку/извлечение стандартной, незаполненной гидрогелевой контактной линзы.

Число изгибаний может быть важным для конструирования батареи. Например, батарея, которая допускает только одно изгибание при переходе от плоской формы к форме, приемлемой для контактной линзы, может значительно отличаться по конфигурации от батареи, выполненной с возможностью множества изгибаний. Изгибание батареи также может превышать ее устойчивость к механическому изгибу. Например, электрод может быть физически выполнен с возможностью изгибаться без разрушения, но при этом из-за изгибания могут изменяться механические и электрохимические свойства электрода. Изменения, происходящие в результате изгибания, могут проявляться сразу же, например, в виде изменений полного сопротивления, либо изгибание может вызвать изменения, которые становятся заметными только в ходе испытаний, проводимых после длительного хранения.

Аспекты формы батареи

Требования к форме батареи могут быть обусловлены, по меньшей мере, частично сферой применения батареи. Традиционные формы батареи могут быть цилиндрическими формами или прямоугольными призмами, изготовленными из металла, и их можно использовать для изделий, которые требуют больших объемов энергии в течение длительного времени. Такие варианты применения имеют достаточно большие размеры, чтобы содержать батареи с крупным типоразмером. В другом примере плоские (2D) твердотельные батареи представляют собой тонкие прямоугольные призмы, как правило, сформированные на жестком кремнии или стекле. В некоторых примерах эти плоские твердотельные батареи можно изготавливать с применением технологий обработки кремниевых пластин. Другие типоразмеры батарей, маломощные, но гибкие батареи, можно изготавливать в виде пакетов с применением тонкой фольги или пластика, которые содержат химические элементы батареи. Эти батареи можно сделать плоскими (2D) и выполнить с возможностью функционирования при умеренной внеплоскостной кривизне (3D).

В некоторых примерах применения батареи в соответствии с настоящим изобретением, где батареи можно использовать в линзах с изменяемыми оптическими свойствами, форм-фактор может потребовать создания трехмерной кривизны компонента батареи, где радиус этой кривизны может быть порядка приблизительно 8,4 мм. Характер такой кривизны может считаться относительно резким и, в качестве сравнения, может приближаться к типу кривизны кончика пальца человека. Характер относительно резкой кривизны создает сложности при производстве. В некоторых примерах настоящего изобретения компонент модульной батареи может быть выполнен таким образом, что он может быть изготовлен плоским, двухмерным, а впоследствии сформирован в трехмерную форму относительно большой кривизны.

Разделители элементов батареи

Батареи типа, описанного в настоящем изобретении, могут использовать материал разделителя, который физически и электрически отделяет части анода и анодного токоотвода от частей катода и катодного токоотвода. Сепаратор может представлять собой мембрану, проницаемую для воды и растворенных компонентов электролита; однако, как правило, он может быть неэлектропроводным. Несмотря на то что специалистам в данной области может быть известно большое количество коммерчески доступных материалов разделителя, новая форма настоящего описания может представлять уникальные ограничения в задаче выбора, обработки и использования разделителя.

Поскольку конфигурации настоящего описания могут иметь сверхтонкие профили, выбор может быть ограничен наиболее тонким из имеющихся материалов разделителя. Например, могут быть желательны разделители толщиной приблизительно 25 микрон. Некоторые примеры, которые могут быть преимущественными, могут иметь толщину приблизительно 12 микрон. Существует множество приемлемых коммерческих сепараторов, включая разделительные мембраны из однослойного микроволокнистого, микропористого полиэтилена и/или трехслойные разделительные мембраны полипропилен-полиэтилен-полипропилен (ПП/ПЭ/ПП), такие как производимые компанией Celgard (г. Шарлотт, штат Северная Каролина, США). Желательным примером материала разделителя может быть трехслойная мембрана Celgard M824 ПП/ПЭ/ПП, имеющая толщину 12 микрон. Альтернативные примеры материалов разделителя, подходящие для примеров настоящего изобретения, могут включать разделительные мембраны, содержащие регенерированную целлюлозу (например, целлофан).

Несмотря на то что трехслойные разделительные мембраны ПП/ПЭ/ПП могут иметь преимущества из-за толщины и механических свойств, благодаря их полиолефиновому характеру они также могут иметь ряд недостатков, которые необходимо преодолеть для того, чтобы они подходили для примеров настоящего изобретения. Рулонные или листовые трехслойные материалы разделителя ПП/ПЭ/ПП могут иметь многочисленные складки или другие нарушения формы, которые могут быть нежелательными для допусков на уровне микронов, применимых к батареям, описанным в настоящем документе. Более того, может быть необходимо разрезать с высокой точностью полиолефиновые разделители для включения в настоящие конфигурации, что, следовательно, может подразумевать лазерную резку в качестве примера способа формирования отдельных токоотводов желательных форм с жесткими допусками. Вследствие полиолефинового характера этих разделителей некоторые лазерные резаки, подходящие для микропроизводства, которые могут использовать длины волн лазера, например 355 нм, будут не в состоянии разрезать полиолефины. Полиолефины не поглощают энергию лазерного излучения в ощутимых количествах и, таким образом, являются неразрушаемыми. Наконец, полиолефиновые разделители по своей природе не могут смачиваться водными электролитами, которые применяются в батареях, описанных в настоящих документах.

Однако существуют способы преодоления этих ограничений, присущих мембранам полиолефинового типа. Чтобы подвергать микропористую разделительную мембрану воздействию высокоточного лазерного резака для резки фрагментов на дугообразные сегменты или другие преимущественные конфигурации разделителя, от мембраны может требоваться быть плоской и свободной от складок. При невыполнении этих двух условий невозможно полностью разрезать разделительную мембрану, так как режущий луч может быть ослаблен в результате нарушения фокусировки или иного рассеивания падающей лазерной энергии. Кроме того, если разделительная мембрана не является плоской и свободной от складок, точность формы и геометрические допуски разделительной мембраны не могут быть достижимы в достаточной мере. Допустимые отклонения для разделителей в текущих примерах могут, например, составлять +0 микрон и -20 микрон в отношении характеризующих длин и/или радиусов. Могут существовать преимущества для более жестких допусков в +0 микрон и -10 микрон и дополнительно для допусков в +0 микрон и -5 микрон. Сырьевой материал разделителя можно сделать плоским и свободным от складок путем временного ламинирования материала на подложке из флоат-стекла с помощью соответствующей низколетучей жидкости. Низколетучие жидкости могут быть более предпочтительны по сравнению с временными адгезивами ввиду хрупкости разделительной мембраны и ввиду количества времени на обработку, которое может потребоваться для высвобождения разделительной мембраны из слоя адгезива. Кроме того, в некоторых примерах получение плоской и свободной от складок разделительной мембраны на флоат-стекле с применением жидкости оказалось намного более легким, чем с применением адгезива. Перед ламинированием разделительную мембрану можно очистить от твердых частиц. Это можно выполнить путем ультразвуковой очистки разделительной мембраны для удаления всех прилипших к поверхности твердых частиц. В некоторых примерах обработку разделительной мембраны можно выполнить в подходящей среде с низким содержанием частиц, такой как ламинарный бокс или чистая комната класса по меньшей мере 10 000. Более того, подложку из флоат-стекла можно очистить от частиц путем промывки соответствующим растворителем, ультразвуковой очистки и/или протирки салфетками для чистых комнат.

Хотя для механической цели ламинирования микропористых полиолефиновых разделительных мембран на подложке из флоат-стекла можно применять самые разные низколетучие жидкости, к жидкости могут применяться конкретные требования для облегчения последующей лазерной резки отдельных форм разделителя. Одним требованием может быть наличие у жидкости достаточно низкого поверхностного натяжения, чтобы проникать в поры материала разделителя, в чем можно легко удостовериться путем визуальной проверки. В некоторых примерах материал разделителя меняет белый цвет на прозрачный, когда жидкость заполняет микропоры материала. Может быть желательно выбрать жидкость, которая может быть благоприятной и «безопасной» для рабочих, которые будут выполнять операции получения и резки разделителя. Может быть желательным выбор жидкости, давление паров которой будет достаточно низким, так чтобы не возникало заметного испарения в период обработки (порядка 1 суток). Наконец, в некоторых примерах жидкость может иметь достаточную сольватирующую способность, чтобы растворять преимущественные УФ-абсорберы, что может облегчить лазерную резку. В одном примере оказалось, что 12%-ный (по весу) раствор авобензона (УФ-абсорбер) в бензилбензоате (растворитель) может удовлетворять вышеуказанным требованиям и может быть пригоден для облегчения лазерной резки полиолефиновых разделителей с высокой точностью и в пределах допусков через небольшие промежутки времени и без избыточного числа проходов луча лазерного резака. В некоторых примерах разделители можно резать с помощью твердотельного лазера 8 В 355 нм с диодной накачкой и наносекундными импульсами с применением этого подхода, причем лазер может быть настроен на низкую мощность затухания (например, мощность 3%), среднюю скорость от 1 до 10 мм/с и только от 1 до 3 проходов лазерного луча. Хотя эта УФ-абсорбирующая маслообразная композиция оказалась эффективным вспомогательным средством для ламинирования и резки, специалисты в данной области могут без ограничений использовать другие маслообразные составы.

В некоторых примерах разделитель можно резать закрепленным на флоат-стекле. Одним преимуществом лазерной резки разделителей, закрепленных на подложке из флоат-стекла, может быть то, что из одного сырьевого листа разделителя можно вырезать очень большое число разделителей; так же как и то, что полупроводниковые кристаллы можно плотно разместить на одной кремниевой пластине. Такой подход может обеспечить преимущества экономии на масштабе и параллельной обработке, характерные для полупроводниковых технологий. Более того, можно минимизировать образование некондиционных разделительных мембран. После разрезания разделителей маслообразную текучую среду вспомогательного средства можно удалить путем многостадийной экстракции с помощью смешивающихся растворителей, причем последнюю экстракцию можно выполнить с помощью высоколетучего растворителя, такого как изопропиловый спирт в некоторых примерах. Отдельные разделители после экстракции можно хранить неопределенное количество времени в любой подходящей среде с низким содержанием частиц.

Как установлено выше, полиолефиновые разделительные мембраны могут быть по своей природе гидрофобными и могут требовать смачивания водными поверхностно-активными веществами, применяемыми в батареях настоящего изобретения. Одним подходом к обеспечению смачиваемости разделительных мембран может быть обработка кислородной плазмой. Например, разделители можно обрабатывать от 1 до 5 минут 100% кислородной плазмой в широком диапазоне настроек мощности и расхода кислорода. Хотя этот подход может улучшить смачиваемость на некоторое время, известно, что модификации поверхностей плазмой обеспечивают лишь временный эффект, который не может длиться достаточно долго для надежного смачивания растворов электролита. Другой подход к улучшению смачиваемости разделительных мембран может заключаться в обработке поверхности путем встраивания в мембрану подходящего поверхностно-активного вещества. В некоторых случаях поверхностно-активное вещество можно применять в сочетании с гидрофильным полимерным покрытием, которое остается внутри пор разделительной мембраны.

Другой подход к обеспечению стойкости гидрофильности, обеспеченной обработкой кислородной плазмой, может заключаться в последующей обработке подходящим гидрофильным органосиланом. Таким образом, кислородную плазму можно применять для активации и обеспечения функциональных групп по всей площади поверхности микропористого разделителя. Затем органосилан может ковалентно привязаться и/или нековалентно приклеиться к поверхности, обработанной плазмой. В примерах, где применяется органосилан, характерная пористость микропористого разделителя может и не претерпеть заметных изменений; однослойное покрытие поверхности также может быть возможным и желательным. Известные в области способы встраивания поверхностно-активных веществ в сочетании с полимерными покрытиями могут требовать строгого контроля над фактическим объемом покрытия, нанесенного на мембрану, и могут проявлять технологическую нестабильность. В крайних случаях поры разделителя могут закупориться, таким образом негативно воздействуя на функциональность разделителя во время эксплуатации электрохимического элемента. Примером органосилана, подходящего для настоящего изобретения, может быть (3-аминопропил)триэтоксисилан. Специалистам в данной области могут быть известны и другие гидрофильные органосиланы, которые можно применять без ограничений.

Другой способ обеспечения смачиваемости разделительных мембран водными электролитами может заключаться во встраивании подходящего поверхностно-активного вещества в состав электролита. Одним соображением при выборе поверхностно-активного вещества для обеспечения смачиваемости разделительных мембран может быть воздействие, которое поверхностно-активное вещество может оказывать на активность одного или более электродов внутри электрохимического элемента, например, за счет повышения полного электрического сопротивления элемента. В некоторых случаях поверхностно-активные вещества могут иметь преимущественные антикоррозионные свойства, особенно в случае присутствия цинковых анодов в водных электролитах. Известно, что цинк может быть примером материала, который медленно взаимодействует с водой с выделением газообразного водорода, что может быть нежелательно. Специалистам в данной области может быть известен ряд поверхностно-активных веществ, ограничивающих скорость указанного взаимодействия до преимущественных уровней. В других случаях поверхностно-активное вещество может так сильно взаимодействовать с поверхностью цинковых электродов, что функционирование батареи может быть затруднено. Следовательно, выбору соответствующих типов поверхностно-активных веществ и уровней их загрузки следует уделять особое внимание, чтобы обеспечить смачиваемость разделителя без неблагоприятного воздействия на электрохимические показатели элемента. В некоторых случаях можно применять множество поверхностно-активных веществ, при этом одни придают смачиваемость разделительной мембране, а другие усиливают антикоррозийные свойства цинкового анода. В одном примере гидрофильная обработка разделительной мембраны не проводится, но в состав электролита добавляют одно или множество поверхностно-активных веществ в количестве, достаточном для обеспечения смачиваемости разделительной мембраны.

Отдельные сепараторы могут быть внедрены в трубчатую микробатарею путем непосредственного помещения в часть одной из сторон трубчатого узла.

Полимеризованные разделители элементов батареи

В некоторых конфигурациях батарей применение отдельного разделителя (как описано в предыдущем разделе) может быть исключено ввиду разных причин, таких как стоимость, доступность материалов, качество материалов или сложность обработки некоторых вариантов материалов, в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.

Способ получения однородного, механически надежного и сформированного на месте разделителя может заключаться в применении УФ-отверждаемых гидрогелевых составов. В разных отраслях, например в отрасли производства контактных линз, известны многие водопроницаемые гидрогелевые составы. Примером гидрогеля, широко применяемого в отрасли производства контактных линз, может быть сшитый гель поли-(гидроксиэтилметакрилата), или просто pHEMA. Для множества сфер применения настоящего изобретения pHEMA обладает многими привлекательными свойствами для применения в батареях Лекланше или углеродно-цинковых батареях. Как правило, содержание влаги геля pHEMA в гидратированном состоянии составляет приблизительно 30-40 процентов, а модуль упругости - приблизительно 100 фунтов/кв. дюйм или более. Кроме того, специалисты в данной области могут регулировать содержание влаги и модуль упругости сшитых гидрогелей путем встраивания дополнительных гидрофильных мономерных (например, метакриловая кислота) или полимерных (например, поливинилпирролидон) компонентов. Таким образом, влагосодержание и, более конкретно, ионную проницаемость гидрогеля можно регулировать за счет изменения состава.

В некоторых примерах особым преимуществом является то, что пригодный к литью и полимеризации состав гидрогеля может содержать один или более разбавителей для ускорения обработки. Летучесть разбавителя выбирают так, чтобы пригодную к литью смесь можно было продавить в полость, а затем дать достаточно времени на сушку для удаления компонента летучего растворителя. После сушки можно инициировать объемную фотополимеризацию путем воздействия актиничным излучением с соответствующей длиной волны, таким как синее УФ-излучение с длиной волны 420 нм, для выбранного фотоинициатора, например CGI 819. С помощью летучего разбавителя можно обеспечить требуемую рабочую вязкость для облегчения формирования в полости равномерного слоя полимеризуемого материала. Летучий разбавитель также может обеспечить эффективное снижение поверхностного натяжения, особенно в случае, когда в состав встроены высокополярные мономеры. Другим аспектом, который может быть важным для получения равномерного слоя полимеризуемого материала в полости, может быть рабочая вязкость. Обычные реактивные мономеры с низкой молярной массой, как правило, обладают очень невысокой вязкостью, которая может составлять, как правило, лишь несколько сантипуаз. Для обеспечения эффективного контроля вязкости пригодного к литью и полимеризации материала разделителя можно выбрать для встраивания в его состав полимерный компонент с высокой молярной массой и с известной степенью совместимости с полимеризуемым материалом. Примеры полимеров с высокой молярной массой, которые могут подходить для встраивания в примеры составов, могут включать поливинилпирролидон и полиэтиленоксид.

В некоторых примерах пригодный к литью и полимеризации разделитель можно преимущественно поместить в сформированную полость, как описано выше. В альтернативных примерах полость может отсутствовать во время полимеризации. Вместо этого состав пригодного к литью и полимеризации разделителя можно нанести на подложку, содержащую электрод, например, из оцинкованной латуни, а затем подвергнуть актиничному излучению с применением фотомаски для избирательной полимеризации материала разделителя в заданных зонах. Непрореагировавший материал разделителя можно затем удалить путем воздействия соответствующих промывающих растворителей. В этих примерах материал разделителя может быть обозначен как фотоструктурируемый по шаблону разделитель.

Многокомпонентные составы разделителя

Разделитель, подходящий в соответствии с примерами настоящего изобретения, может обладать рядом свойств, которые могут быть важны для его функционирования. В некоторых примерах может быть желательно сформировать разделитель таким образом, чтобы создать физический барьер, такой, что слои с каждой стороны разделителя физически не будут контактировать друг с другом. Следовательно, слой может обладать важной характеристикой равномерной толщины, так как, хотя тонкий слой и может оказаться желательным по многим причинам, существенным может быть наличие слоя без пустот и зазоров. Кроме того, желательно, чтобы тонкий слой мог обладать высокой проницаемостью, чтобы обеспечивать свободное прохождение ионов. Кроме того, разделитель нуждается в оптимальном поглощении воды для оптимизации механических свойств разделителя. Таким образом, состав может содержать сшивающий компонент, гидрофильный полимерный компонент и компонент растворителя. Сшивающее средство может представлять собой мономер с двумя или более полимеризуемыми двойными связями. Подходящие сшивающие средства могут представлять собой композиции с двумя или более полимеризуемыми функциональными группами. Примеры подходящих гидрофильных сшивающих веществ также могут включать соединения с одной или более полимеризуемыми функциональными группами, а также гидрофильными функциональными группами, такими как полиэфирная, амидная или гидроксильная группы. Конкретные примеры могут включать TEGDMA (тетраэтиленгликольдиметакрилат), TrEGDMA (триэтиленгликольдиметакрилат), этиленгликольдиметакрилат (ЭГДМА), этилендиамин, диметилакриламид, диметакрилат глицерина и их комбинации.

Количества сшивающего средства, которые могут применяться в некоторых примерах, могут изменяться в диапазоне, например, от приблизительно 0,000415 до приблизительно 0,0156 моля на 100 грамм реакционноспособных компонентов в реакционной смеси. Количество применяемого гидрофильного сшивающего средства может по существу составлять от приблизительно 0 до приблизительно 2% вес. и, например, от приблизительно 0,5 до приблизительно 2% вес. Могут быть желательны гидрофильные полимерные компоненты, способные повышать вязкость реакционной смеси и/или степень водородного связывания со слабореактивным гидрофильным мономером, такие как гидрофильные полимеры с высокой молекулярной массой.

Гидрофильные полимеры с высокой молекулярной массой обеспечивают улучшенную смачиваемость и в некоторых примерах могут улучшать смачиваемость разделителя настоящего изобретения. В некоторых не имеющих ограничительного характера примерах считается, что гидрофильные полимеры с высокой молекулярной массой представляют собой рецепторы водородной связи, которые в водных средах образуют водородные связи с водой и таким образом фактически становятся более гидрофильными. Отсутствие воды может способствовать встраиванию гидрофильного полимера в реакционную смесь. Кроме специально названных гидрофильных полимеров с высокой молекулярной массой можно ожидать, что любой полимер с высокой молекулярной массой будет подходить для настоящего изобретения при условии, что при добавлении указанного полимера в пример силикон-гидрогелевого состава гидрофильный полимер: (a) не выделяется существенно в отдельную фазу из реакционной смеси; и (b) увеличивает смачиваемость полученного отвержденного полимера.

В некоторых примерах гидрофильный полимер с высокой молекулярной массой может быть растворим в разбавителе при температурах обработки. Производственные процессы, в которых используется вода или водорастворимые разбавители, такие как изопропиловый спирт (ИПС), могут быть предпочтительными примерами из-за своей простоты и невысокой стоимости. В этих примерах также могут быть предпочтительны гидрофильные полимеры с высокой молекулярной массой, которые растворяются в воде при рабочих температурах.

Примеры гидрофильных полимеров с высокой молекулярной массой включают, без ограничений, полиамиды, полилактоны, полиимиды, полилактамы и функционализированные полиамиды, полилактоны, полиимиды, полилактамы, такие как ПВП или его сополимеры, или альтернативно ДМА, функционализированный сополимеризацией ДМА с меньшим молярным количеством гидроксил-функционализированного мономера, такого как гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА), с последующей реакцией гидроксильных групп полученного сополимера с материалами, содержащими радикальные полимеризуемые группы. Примеры гидрофильных полимеров с высокой молекулярной массой включают, без ограничений, поли-N-винилпирролидон, поли-N-винил-2-пиперидон, поли-N-винил-2-капролактам, поли-N-винил-3-метил-2-капролактам, поли-N-винил-3-метил-2-пиперидон, поли-N-винил-4-метил-2-пиперидон, поли-N-винил-4-метил-2-капролактам, поли-N-винил-3-этил-2-пирролидон и поли-N-винил-4,5-диметил-2-пирролидон, поливинилимидазол, поли-N--N-диметилакриламид, поливиниловый спирт, полиакриловую кислоту, полиэтиленоксид, поли-2-этилоксазолин, полисахариды гепарина, полисахариды, их смеси и сополимеры (включая блок-сополимеры или статистические, с разветвленной цепью, многоцепочечные, гребенчатые или звездообразные), где поли-N-винилпирролидон (ПВП) может представлять собой желательный пример, где ПВП добавляли в композицию гидрогеля с образованием взаимопроникающей полимерной сетки с низким уровнем поверхностного трения и низким уровнем дегидратации.

Также могут быть включены дополнительные компоненты или добавки, известные специалистам в данной области. Добавки могут включать, без ограничений, композиции с ультрафиолетовым поглощением, фотоинициаторы, такие как CGI 819, реакционноспособные краски, бактерицидные композиции, пигменты, фотохромные композиции, разделительные агенты, их комбинации и т. п.

Способ, связанный с сепараторами этих типов, также может включать в себя получение CGI 819; и затем смешивание с поливинилпирролидоном (ПВП), гидроксиэтилметакрилатом (ГЭМА), этиленгликольдиметакрилатом (ЭГДМА) и изопропиловым спиртом (ИПС); а затем отверждение полученной смеси с помощью источника тепла или воздействия фотонов. В некоторых примерах воздействие фотонов может происходить там, где энергия фотонов соответствует длине волны, возникающей в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Настоящее изобретение включает другие способы инициирования полимеризации, которая по существу выполняется в реакциях полимеризации.

Соединения

Соединения могут позволять току течь к батарее и от батареи, находящейся в соединении с внешней цепью. Такие соединения могут взаимодействовать с окружающей средой внутри и за пределами батареи и могут пересекать границу или уплотнение между этими средами. Эти соединения можно рассматривать как дорожки, выполняющие соединения с внешней цепью, проходящие через уплотнение батареи и впоследствии соединяющиеся с токоотводами внутри батареи. Как таковые эти соединения могут иметь несколько требований. Находящиеся за пределами батареи соединения могут быть похожи на типичные дорожки печатной платы. Они могут быть припаяны или иным способом подключены к другим дорожкам. В примере, где батарея представляет собой физический элемент, отдельный от печатной платы, содержащей интегральную схему, соединения батареи могут позволять подключение к внешней схеме. Эта связь может быть образована с помощью припоя, электропроводной ленты, электропроводных чернил, или эпоксидного состава, или других средств. Для соединительных дорожек может потребоваться оставаться сохранными в условиях среды, находящейся за пределами батареи, например не ржаветь в присутствии кислорода.

Поскольку соединение проходит через уплотнение батареи, может быть чрезвычайно важно, чтобы соединение было совместимо с материалом уплотнения и обеспечивало герметичность. Адгезия может потребоваться между уплотнением и взаимным соединением в дополнение к адгезии, которая может потребоваться между уплотнением и изолирующей оболочкой батареи. При наличии электролита и других материалов внутри батареи может потребоваться поддержание целостности уплотнения. Соединения, которые, как правило, могут быть металлическими, могут быть известны как точки разрушения в изолирующей оболочке батареи. Электрический потенциал и/или течение тока могут усиливать тенденцию «просачивания» электролита вдоль соединения. Соответственно, для соединения может потребоваться проектирование, поддерживающее целостность уплотнения.

Внутри батареи соединения могут взаимодействовать с токоотводами или могут сами формировать токоотводы. В связи с этим для соединений может требоваться удовлетворять описанным в настоящем документе требованиям к токоотводам, либо может требоваться образовывать электрическое подключение к таким токоотводам.

Один класс потенциальных соединений и токоотводов представляет собой металлическую фольгу. Доступна такая фольга, имеющая толщину 25 мкм или менее, что делает ее приемлемой для очень тонких батарей. Такую фольгу также можно найти с низкими уровнями шероховатости и загрязнения поверхности (два фактора, которые могут быть критичными для рабочих характеристик батареи). Фольга может включать в себя цинк, никель, латунь, медь, титан, другие металлы и различные сплавы.

Токоотводы и электроды

Предполагается, что многие из конфигураций токоотвода и электрода образуют путем осаждения металлических пленок на боковую стенку или путем применения металлической проволоки в качестве подложек с образованием токоотводов и электродов. Их примеры были проиллюстрированы. Однако могут существовать некоторые конфигурации, в которых применяют другие конфигурации токоотвода и электрода в трубчатом формате батареи.

В некоторых примерах углеродно-цинковых элементов и элементов Лекланше катодный токоотвод может представлять собой спеченный углеродный стержень. Материал этого типа может представлять техническую трудность для тонких электрохимических элементов настоящего изобретения. В некоторых примерах в тонких электрохимических элементах для катодного токоотвода вместо спеченного углеродного стержня можно применять печатные углеродные чернила, и в этих примерах полученное устройство может быть образовано без существенного ухудшения полученного электрохимического элемента. Как правило, указанные углеродные чернила можно наносить непосредственно на изолирующие материалы, которые могут содержать пленки полимера или в некоторых случаях металлическую фольгу. В примерах, в которых изолирующая пленка может представлять собой металлическую фольгу, от углеродных чернил может требоваться защищать нижележащую металлическую фольгу от химического разрушения и/или коррозии под действием электролита. Кроме того, в этих примерах от токоотвода, содержащего углеродные чернила, может требоваться обеспечивать электропроводность изнутри электрохимического элемента за пределы электрохимического элемента, обеспечивая герметичность вокруг углеродных чернил или сквозь них.

Углеродные чернила также можно наносить слоями, которые имеют предельную и относительно небольшую толщину, например от 10 до 20 мкм. В конфигурации тонкого электрохимического элемента, в котором общая внутренняя толщина изолирующей оболочки может составлять всего от около 100 до 150 мкм, толщина слоя углеродных чернил может составлять существенную долю от общего внутреннего объема электрохимического элемента, таким образом негативно влияя на электрические характеристики элемента. Дополнительно малая толщина батареи в целом и токоотвода в частности может подразумевать небольшую площадь поперечного сечения токоотвода. Поскольку сопротивление дорожки возрастает с длиной дорожки и уменьшается с увеличением площади поперечного сечения, сопротивление токоотвода может напрямую зависеть от его толщины. Объемное удельное сопротивление углеродных чернил может быть недостаточным для удовлетворения требований к сопротивлению тонких батарей. Также считается, что добавление к чернилам серебра или других электропроводных металлов может понизить сопротивление и/или толщину слоя, но эти металлы могут привнести новые проблемы, такие как несовместимость с новыми электролитами. Учитывая эти факторы, в некоторых примерах может быть желательным создание высокоэффективных тонких электрохимических элементов настоящего изобретения за счет использования в качестве токоотвода тонкой металлической фольги или нанесения тонкой металлической пленки на нижележащий изолирующий слой полимера для функционирования в качестве токоотвода. Такая металлическая фольга может иметь значительно более низкое сопротивление, таким образом позволяя ей удовлетворять требованиям к электрическому сопротивлению при намного меньшей толщине, чем печатные углеродные чернила.

В некоторых примерах одна или более трубчатых форм могут быть применены в качестве подложки для электродов и токоотводов или только в качестве токоотводов. В некоторых примерах металлы трубчатой формы могут содержать осажденные на их поверхности покрытия. Например, металлические трубчатые элементы могут служить в качестве подложки для напыляемого металла токоотвода или металлических наложений. Примеры металлических наложений, используемых в качестве катодных токоотводов, могут представлять собой слои адгезива титана-вольфрама (Ti-W) и проводящие слои титана (Ti). Примерами металлических наложений, используемых в качестве анодных токоотводов, могут быть слои адгезива Ti-W, проводящие слои золота (Au) и слои нанесения индия (In). Полная толщина слоев PVD может составлять менее 500 нм. Если применяется множество слоев металлов, может быть необходима совместимость электрохимических и защитных свойств с батареей. Например, на зародышевый слой можно способом электролитического осаждения нанести медь для создания толстого проводящего слоя. На медь можно наносить дополнительные слои. Однако медь может быть электрохимически несовместимой с некоторыми электролитами, особенно при наличии цинка. Соответственно, при применении меди в качестве слоя в батарее может потребоваться в достаточной степени изолировать ее от электролита батареи. В альтернативном варианте осуществления медь можно исключить или заменить другим металлом.

Кроме того, для формирования токоотводов и/или подложек для электродов могут применять провода, изготовленные из множества материалов. В некоторых примерах металлический проводник может проходить в изолирующий материал, например стекло или керамику, для обеспечения изолированного электрического контакта токоотвода. В некоторых примерах провод может быть изготовлен из титана. В других примерах могут быть применены другие основные металлы, в том числе, среди прочих, алюминий, вольфрам, медь, золото, серебро, платина, и они могут иметь нанесенные поверхностные пленки.

Катодные смеси и осаждение

Может существовать множество разных вариантов химического состава катодных смесей, которые могут соответствовать концепциям настоящего изобретения. В некоторых примерах катодная смесь (термин «катодная смесь» может означать химический состав, применяемый для образования катода батареи) может применяться в виде пасты, геля, суспензии или взвеси и может содержать оксид переходного металла, например диоксид марганца, определенную форму электропроводной добавки, например определенную форму электропроводного порошка, такого как углеродная сажа или графит, а также растворимый в воде полимер, например поливинилпирролидон (ПВП), либо некоторые другие связующие добавки. В некоторых примерах могут быть включены другие компоненты, такие как одно или более связующих веществ, электролитические соли, ингибиторы коррозии, вода или другие растворители, поверхностно-активные вещества, реологические модификаторы и другие электропроводные добавки, такие как электропроводные полимеры. Катодная смесь, надлежащим образом составленная и смешанная, может иметь желательные реологические свойства, которые позволяют либо дозировать ее на определенные участки сепаратора и/или катодного токоотвода, либо аналогичным образом продавливать ее через сетку или трафарет. В некоторых примерах катодную смесь можно высушивать перед применением в более поздних этапах сборки гальванического элемента, в то время как в других примерах катод может содержать некоторые или все компоненты электролита и может только частично высушиваться до выбранного содержания влаги.

Оксид переходного металла может, например, представлять собой диоксид марганца. Диоксид марганца, который можно применять в катодной смеси, например, может представлять собой электролитический диоксид марганца (EMD) из-за благоприятной дополнительной специальной подачи энергии, которую обеспечивает этот тип диоксида марганца по сравнению с другими формами, такими как природный диоксид марганца (NMD) или химический диоксид марганца (CMD). Более того, для EMD, подходящей для батарей настоящего изобретения, может требоваться размер частиц и распределение частиц по размеру, которые могут быть благоприятны для изготовления паст катодной смеси, пригодных для осаждения или отпечатывания. В частности, EMD можно обработать для удаления из него значительных крупных компонентов частиц, которые можно счесть крупными по сравнению с другими элементами, такими как внутренние размеры батареи, толщина сепаратора, диаметры наконечников дозатора, размеры отверстий трафарета или размеры ячеек сетки. Можно также оптимизировать размеры частиц, чтобы улучшить рабочие характеристики батареи, например внутреннее полное сопротивление и разрядную емкость.

Помол представляет собой уменьшение твердых материалов с переходом с одного среднего размера частиц на меньший средний размер частиц с помощью дробления, толчения, нарезания, вибраций или других процессов. Помол можно также использовать для освобождения используемых материалов из материалов матрицы, в которые они могут быть включены, и для концентрирования минеральных веществ. Мельница представляет собой устройство, которое разбивает твердые материалы на части меньшего размера путем толчения, дробления или нарезания. Может быть несколько средств для помола и много типов материалов, обрабатываемых такими средствами. Такие средства для помола могут включать в себя, среди прочих альтернативных вариантов для помола, шаровую мельницу, бисерную мельницу, ступку и пестик, роликовый пресс, струйную мельницу. Один пример помола может представлять собой помол в струйной мельнице. После помола меняется состояние твердого вещества, например размер частиц, расположение частиц по размеру и форма частиц. Возможно использование способа помола заполнителя для удаления или отделения загрязнений или влаги из заполнителя для получения «сухого заполнения» перед транспортировкой или структурной засыпкой. В некотором оборудовании возможна комбинация разных способов сортировки твердого материала в смесь твердых частиц, размер которых ограничен минимальным и максимальным размером частиц. Такая обработка называется «сортировкой».

Помол может быть одним аспектом производства катодной смеси для единообразного распределения размеров частиц компонентов катодной смеси. Единообразие размера частиц в катодной смеси может способствовать достижению требуемой вязкости, реологических свойств, электропроводности и других свойств катода. Помол может способствовать достижению таких свойств путем контроля агломерирования или накопления массы компонентов катодной смеси. Агломерация - группировка разных элементов, которые в случае катодной смеси могут являться аллотропами углерода и окисями переходных металлов, - может отрицательно сказаться на процессе заполнения, оставляя пустоты в желаемой полости катода, как показано на Фиг. 11.

Еще одним важным этапом удаления агломерированных или нежелательных частиц является фильтрация. Нежелательные частицы могут включать частицы слишком большого размера, загрязнения или другие частицы, не включенные в явной форме в способ изготовления. Фильтрацию можно выполнять с помощью таких способов, как, например, фильтрация фильтровальной бумагой, вакуумная фильтрация, хроматография, микрофильтрация и другие способы фильтрации.

В некоторых примерах EMD может иметь средний размер частиц 7 мкм с содержанием крупных частиц, которые могут содержать частицы вплоть до около 70 мкм. В альтернативных примерах EMD можно просеивать, дополнительно размалывать или иным образом отделять или обрабатывать с целью ограничения содержания крупных частиц до уровня ниже определенного порога, например, 25 микрон или ниже.

Кроме того, катод может содержать оксиды серебра, хлориды серебра или оксигидроксид никеля. Такие материалы могут обеспечить повышенную емкость и меньшее снижение напряжения с нагрузкой во время разрядки по сравнению с диоксидом марганца, причем оба эти свойства являются желательными для батареи. Батареи на основе этих катодов уже могут иметь примеры применения в отрасли и в литературе. Новая микробатарея с использованием диоксида серебра в составе катода может включать в себя биосовместимый электролит, например электролит, содержащий вместо гидроксида калия хлорид цинка и/или хлорид аммония.

Некоторые примеры катодной смеси могут включать полимерное связующее вещество. Связующее вещество может выполнять ряд функций в катодной смеси. Основной функцией связующего вещества может быть создание достаточной электрической сети между частицами EMD и частицами углерода. Второй функцией связующего вещества может быть усиление механической адгезии и электрического контакта с катодным токоотводом. Третьей функцией связующего вещества может быть влияние на реологические свойства катодной смеси для ее преимущественного дозирования и/или нанесения через трафарет/сетку. Наконец, четвертой функцией связующего вещества может быть ускорение поглощения и распределения электролита внутри катода.

Выбор связующего полимера, а также объема его применения может быть эффективным для функционирования катода в электрохимическом элементе настоящего изобретения. Если связующий полимер обладает повышенной растворимостью в применяемом электролите, это будет препятствовать выполнению основной функции связующего вещества - обеспечению непрерывного электрического контакта - вплоть до полной потери работоспособности гальванического элемента. Напротив, если связующий полимер нерастворим в применяемом электролите, участки EMD могут оказаться ионно изолированными от электролита, что приведет к ухудшению рабочих характеристик гальванического элемента, такому как снижение емкости, уменьшение напряжения при разомкнутой цепи и/или увеличение внутреннего сопротивления.

Связующее вещество может быть гидрофобным; оно также может быть гидрофильным. Примеры связующих полимеров, подходящих для настоящего изобретения, содержат, среди прочих, ПВП, полиизобутилен (ПИБ), резиноподобные триблок-сополимеры, содержащие стирольные конечные блоки, например, блоки, производимые компанией Kraton Polymers, стирол-бутадиеновые блок-сополимерные латексы, полиакриловую кислоту, гидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, твердые фторуглеродные вещества, например политетрафторэтилен, цементы, включая портландцемент.

Одним из компонентов катодной смеси может быть растворитель. Растворитель может использоваться для увлажнения катодной смеси, что может способствовать распределению частиц в смеси. Один пример растворителя может представлять собой толуол. Также для увлажнения и, таким образом, распределения катодной смеси может использоваться поверхностно-активное вещество. Один пример поверхностно-активного вещества может представлять собой моющее вещество, такое как Triton™ QS-44, производимое компанией Dow Chemical. Triton™ QS-44 может способствовать диссоциации агрегированных компонентов в катодной смеси, обеспечивая более равномерное распределение компонентов катодной смеси.

При производстве катода, как правило, может использоваться электропроводный углерод. Углерод способен образовывать большое количество аллотропных или различных структурных модификаций. Разные аллотропные модификации углерода обладают разными физическими свойствами, что приводит к вариациям электропроводности. Например, «упругость» углеродной сажи может способствовать приклеиванию катодной смеси к токоотводу. Однако в элементах энергоснабжения, требующих относительно низких количеств энергии, такие вариации электропроводности могут быть менее важны, чем другие благоприятные свойства, например, среди прочего, плотность, размер частиц, теплопроводность и относительная однородность. Примеры аллотропных модификаций углерода включают алмаз, графит, графен, аморфный углерод (который неофициально называют углеродной сажей), бакминстерфуллерены, стекловидный углерод (также называемый стеклоуглеродом), углеродные аэрогели и другие возможные формы углерода, способные проводить электричество. Один пример аллотропной модификации углерода может представлять собой графит.

В некоторых примерах катод может быть осажден на стенку трубки или катодного токоотвода в виде проволоки. В некоторых примерах стенки трубки и проволока могут быть металлическими и могут содержать химические составляющие катода, например электроосажденный на них диоксид марганца. В других примерах покрытия из электролитического диоксида марганца могут быть образованы на катодных токоотводах.

Катодное покрытие в виде электроосажденного оксида марганца

Как было описано, катоды могут наноситься на токопроводящие тела электродов путем электроосаждения. В некоторых примерах катод может содержать пленки с электроосажденным оксидом марганца на металлическом проводящем электроде. Например, титановый стержень диаметром 2 мм (чистота > 99,99%) можно использовать в качестве подложки для электроосаждения диоксида марганца. Перед процессом электроосаждения подложке можно придать шероховатость физическими средствами или химическими средствами вытравить и промыть с помощью соответствующего растворителя, например, ацетона, для очистки ее поверхности. В некоторых примерах электроосаждение может быть выполнено для трехэлектродного элемента; однако двухэлектродные элементы могут функционировать. Подложка и окружающие ее химикаты могут быть нагреты, например, приблизительно до 96 °C, хотя возможен широкий температурный диапазон, а в некоторых примерах по ряду причин может быть предпочтительной более высокая температура. Подложка может иметь площадь поверхности осаждения приблизительно 50 мм2. Тем не менее, для подобных наборов экспериментов электроосаждение проводили с использованием электролита с композицией, аналогичной композициям, применяемым в коммерческих масштабах для электроосаждения EMD, которые могут включать в себя растворы, содержащие 1,0 М MnSO4+0,4 М H2SO4. В некоторых примерах электроосаждение может изначально проводиться при низкой плотности тока, например, 19 A/м2, в течение одной минуты, чтобы сформировать на подложке стабильный и плотный слой осажденного марганца. Затем плотность тока можно увеличить, например, до 66 или 112 A/м2, для нанесения пористого слоя EMD поверх плотного слоя.

На Фиг. 11 показаны результаты эксплуатационных испытаний, в которых образцы электроосажденного на титановый стержень EMD используются в качестве катода элемента, а цинковая фольга используется в качестве анода. На графике показан потенциал 1110 элемента в сравнении с зарядом 1115, создаваемым элементом. В условия проведения испытаний анод и катод физически изолированы и помещены в электролит с композицией NH4Cl (26,0% вес.), ZnCl2 (8,8% вес.) и H2O (65,2% вес.). Показанные результаты испытаний были получены путем вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала (LSV) при постоянной скорости разряда 0,05 мВ/сек для элементов, которые находились при температуре окружающей среды. Емкость каждого элемента батареи можно вычислить вплоть до потенциала элемента равного 1,0 В (по сравнению с цинковым электродом). Для разных образцов были получены разные кривые электрических свойств, причем разница заключалась в количестве диоксида марганца, электроосажденного на титановый стержень.

Примеры результатов для перечисленных технологических условий для различных образцов представлены в таблице далее.

Катод
Заряд (мА·ч) Масса EMD (мг) Плотность нанесенного EMD (г/мм2) Рассчитанная толщина покрытия (мкм)
I 0,482 0,781 1,46E-05 4,1
II 0,963 1,563 2,93E-05 8,3
III 1,445 2,344 4,39E-05 12,4
IV 1,927 3,125 5,85E-05 16,5
V 3,854 6,250 1,17E-04 33,0

Таким образом, для рассчитанной толщины покрытия равной 4,1 мкм была получена кривая 1121. Для рассчитанной толщины покрытия равной 8,3 мкм была получена кривая 1122. Для рассчитанной толщины покрытия равной 12,4 мкм была получена кривая 1123. Для рассчитанной толщины покрытия равной 16,5 мкм была получена кривая 1124. И для рассчитанной толщины покрытия равной 33,0 мкм была получена кривая 1125.

Образцы для анализа СЭМ могут быть подготовлены с использованием аналогичных технологических условий. На Фиг. 12 показан вид сверху вниз микрофотографии 1210, а также пример поперечного сечения 1220 покрытий из электроосажденного диоксида марганца.

Пример электрохимических элементов питания с электродами из EMD

Как было указано выше, настоящее изобретение может быть особенно преимущественным для конфигураций и конструкций очень малых электрохимических элементов, содержащих менее 100 мг EMD в качестве положительного активного материала, и особенно для изготовления микроэлектрохимических элементов, содержащих менее 10 мг EMD в качестве положительного активного материала. В элементе, содержащем 100 мг EMD в твердой форме, EMD может занимать объем равный приблизительно 29,0 мкл, исходя из плотности оболочки EMD равной приблизительно 3,45 г/см3. В таких тонких или очень малых элементах значение толщины положительного электрода из твердого EMD может удерживаться ниже 1000 микрон и более предпочтительно - ниже 100 микрон или даже ниже 50 микрон.

Это может быть преимущественным, поскольку обеспечивает возможность поддержания низкого электронного сопротивления в положительном электроде из твердого EMD даже при отсутствии какой-либо проводящей добавки.

В не имеющем ограничительного характера примере может быть сформировано покрытие твердого EMD с толщиной приблизительно 100 микрон и стандартной плотностью оболочки 3,45 г/см3. В таком примере рассчитанное значение сопротивления электрода размером 1 см X 1 см X 100 микрон может составлять 10 Ом. Объем такого слоя может равняться приблизительно 0,1 см3, а масса составлять 0,345 г или 345 мг. Содержание MnO2 может составлять примерно 316 мг. Подобный пример может предполагать теоретическую емкость 1e- равную приблизительно 97,3 мА·ч.

В некоторых примерах предполагаемая скорость разряда может быть низкой, например, около C/24, что может приравниваться к значению постоянного тока примерно 4,05 мА. Для стандартного углеродно-цинкового или щелочного элемента Zn-MnO2 среднее значение напряжения разряда при таком низком потреблении может составлять около 1,2 В. Исходя из Закона Ома, где E=IR, можно рассчитать нагрузку, равную приблизительно R=E/I=1,2 В/4,05 мА=0,296 кОм=296 Ом.

Таким образом, можно увидеть, что даже при толщине слоя равной 100 микрон сопротивление слоя, добавляемое к общему сопротивлению цепи, составит только около 10 Ом в сравнении с применяемой нагрузкой равной около 296 Ом, что соответствует приблизительно 3% от общего сопротивления. Более тонкие покрытия могут иметь даже меньший эффект. Это также может быть применимо к более низкой скорости разряда, например, равной C/60 или C/100.

В некоторых примерах электроды из твердого EMD были изготовлены и разряжены с аналогичными скоростями и продемонстрировали 120%-130% от теоретической емкости. Таким образом, ограничения конфигурации малых элементов или микроэлементов батареи могут быть в значительной степени преодолены благодаря электроду из твердого EMD, и в некоторых примерах конструкторы могут допустить полную теоретическую емкость при разработке малого элемента или микроэлемента, содержащего положительный электрод из твердого EMD.

В одном примере осажденный слой EMD может изготавливаться при стандартных коммерческих условиях для производства аккумуляторных батареи из EMD. К таким условиям может относиться поддержание ванны с марганцем при температуре приблизительно 94-98 градусов Цельсия. Композиция ванны в некоторых примерах может включать 0,09-1,2 моль/л MnSO4, а также 0,2-0,8 моль/л серной кислоты, H2SO4. В некоторых примерах осаждение на проводящую основу может сопровождаться применением тока с приблизительной плотностью равной 27-86 A/м2 (2,5-8,0 A/фут2).

В других примерах для этих параметров могут применяться условия за пределами диапазонов, описанных выше в качестве примера, и эти условия могут привести к улучшению других параметров, представляющих интерес, таких как: адгезия, прочность на разрыв, пористость, проводимость и эффективность разряда при разных скоростях разряда.

EMD может быть нанесен на множество проводящих подложек, например, выполненных из углерода, угленаполненных проводящих полимеров, Ti, Zr, Hf, Mo, Nb, Ta, Pt, Pd, Os, Ir, Ru, Rh или Au, а также из проводящих сплавов или проводящих соединений, которые содержат данные элементы. Предпочтительными подложками могут быть такие, которые выполнены из Ti, ZR, а также углеродного волокна или углеродной ткани.

Форма подложки может зависеть от конфигурации электрохимического элемента питания, в который она будет установлена. Например, если элемент имеет цилиндрическую конфигурацию, в этом случае может использоваться цилиндрическая подложка, например, проволока, нить или длинное волокно. Если элемент имеет тонкую плоскую конфигурацию, в таком случая может использоваться тонкая подложка, например, фольга, ткань или тонкое волокно.

В иллюстративном случае тонкой, плоской конфигурации электрод из EMD может быть нанесен на одну или обе стороны плоского токоотвода. Электроосаждение на 2 стороны может быть преимущественным с точки зрения снижения механических нагрузок, которые могут привести к искажению и отслаиванию покрытия в процессе осаждения или впоследствии во время разрядки в элементе питания.

После осаждения рекомендуется промыть нанесенный электрод чистой водой для удаления остатков раствора из ванны для осаждения (MnSO4 и H2SO4). Кроме того, может быть предпочтительным хранить осажденный электрод таким образом, чтобы избежать изгибаний или механического воздействия. В некоторых примерах электрод может быть высушен или частично высушен при умеренной температуре менее 60 градусов Цельсия. Хранение электрода в условиях влаги может быть преимущественным, прежде чем он будет использован для изготовления элемента питания.

Если электрод из твердого EMD был размещен на гибкой, плоской подложке, то в таком случае его также можно использовать в спиральном или галетном элементе цилиндрической или призматической конфигурации. В некоторых таких примерах полученный в результате элемент может в общей сложности содержать более 100 мг EMD.

В не имеющем ограничительного характера примере электрод может быть нанесен на 2 стороны тонкой титановой фольги, при этом итоговая толщина EMD с каждой стороны фольги составит 10-200 микрон. Затем с обеих сторон нанесенного электрода может быть помещен тонкий пористый разделитель, после чего на один или оба разделителя может быть помещена одна тонкая цинковая фольга. Полученную конструкцию можно затем скатать в виде «рулета», вставить в цилиндрический или призматический контейнер и смочить электролитом.

В качестве альтернативны, как только будет собрана многослойная структура: разделитель/осажденная фольга/разделитель/цинковая фольга, ее можно разворачивать и сворачивать наподобие аккордеона, чтобы придать ей призматическую форму, квадратную или прямоугольную, а затем вставить в контейнер призматической формы. Если различные слои будут разрезаны или пробиты как массив соединенных вместе многоугольников, например, как массив соединенных шестиугольных плиток, в таком случае после сворачивания наподобие аккордеона может быть получено поперечное сечение многоугольника.

Независимо от выбранной конфигурации, цилиндрической или призматической, элемент питания может иметь чрезвычайно большую геометрическую площадь, а также очень тонкие электроды и разделительные слои, что приведет к чрезвычайно высоким характеристикам скорости, которые будут приближаться к характеристикам электролитического конденсатора при рабочем напряжении приблизительно 1,5-1,8 В.

Аноды и ингибиторы анодной коррозии

Анод для трубчатой батареи настоящего изобретения может, например, содержать цинк. В традиционных цинково-углеродных батареях цинковый анод может физически принимать форму банки, в которой может удерживаться содержимое электрохимического элемента. Для батареи настоящего изобретения примером может быть цинковая банка, но существуют и другие физические формы цинка, которые могут обеспечить желательные для реализации конфигурации сверхмалых батарей.

Можно найти примеры применения нанесения цинка способом электролитического осаждения во многих отраслях, например для защитных и декоративных покрытий металлических частей. В некоторых примерах электролитическое осаждение цинка может применяться для образования тонких анодов нестандартной формы, используемых в батареях настоящего изобретения. Кроме того, в процессе нанесения слоя цинка способом электролитического осаждения его можно нанести с формированием узора во множестве различных заданных конфигураций. Простым способом нанесения электролитически осаждаемого цинка с формированием узора может быть обработка с применением фотомаски или физической маски. В случае фотомаски фоторезист можно нанести на электропроводную подложку, причем на подложку впоследствии можно наносить цинк. Требуемый узор нанесения можно впоследствии перенести на фоторезист посредством фотомаски, таким образом вызывая полимеризацию выбранных областей фоторезиста. Неполимеризованный фоторезист можно впоследствии удалить соответствующими методиками растворения и очистки. В результате можно получить узорные области электропроводного материала, которые можно обрабатывать цинком способом электролитического осаждения. Несмотря на то что этот способ может обеспечить преимущество для формы или конфигурации наносимого цинка, этот подход может потребовать применения имеющихся фотоструктурируемых по узору материалов, которые могут иметь ограниченные свойства для общей конструкции изолирующей оболочки гальванического элемента. Следовательно, для реализации некоторых конфигураций тонких микробатарей настоящего изобретения могут потребоваться новые способы формирования узора цинка.

После размещения цинковой маски можно выполнить электролитическое осаждение одного или более металлических материалов. В некоторых примерах цинк можно нанести путем электролитического осаждения непосредственно на электрохимически совместимую фольгу анодного токоотвода, такую как латунь. В альтернативных примерах конфигурации, в которых анодная сторона изолирующей оболочки содержит пленку полимера или многослойную пленку полимера, на которую нанесен зародышевый слой металла, цинк и/или растворы, используемые для нанесения цинка, могут быть химически несовместимы с нижележащим зародышевым слоем металла. Проявления недостаточной совместимости могут включать растрескивание пленки, коррозию и/или усиленное выделение H2 при контакте с электролитом элемента. В таком случае для обеспечения общей химической совместимости в системе на зародышевый металл можно нанести дополнительные металлы. Одним металлом, который может быть пригодным для конструкций электрохимического элемента, может быть индий. Индий можно широко применять в качестве легирующего агента в цинке для батареи, причем его основной функцией является обеспечение антикоррозионного свойства цинка в присутствии электролита. В некоторых примерах индий можно успешно осаждать на различные зародышевые слои металлов, таких как Ti-W или Au. Образующиеся на указанных зародышевых слоях металла пленки индия толщиной 1-3 мкм могут иметь низкое напряжение и хорошую адгезивность. Таким образом достигается совместимость и устойчивость изолирующей пленки со стороны анода и прикрепленного к ней токоотвода, имеющего слой индия сверху. В некоторых примерах можно осаждать цинк на обработанную индием поверхность, причем полученный нанесенный слой может быть очень неоднородным и зернистым. Такой эффект может проявляться при низких плотностях тока, например, 20 ампер на квадратный фут (А/кв. фут). Под микроскопом видно, что зерна цинка образуются на нижележащем ровном нанесенном слое индия. В некоторых конфигурациях электрохимического элемента вертикальный зазор для анодного слоя цинка может составлять до около 5-10 мкм в толщину, но в некоторых примерах для осаждения цинка можно использовать более низкие плотности тока, и полученные зернистые неровности могут превышать по высоте желаемую максимальную вертикальную толщину для анода. Зернистые неровности цинка могут являться результатом комбинации высокого электрического перенапряжения индия и наличия оксидного слоя индия.

В некоторых примерах относительно большие зернистые узоры цинка на поверхностях индия можно преодолеть за счет увеличения плотности постоянного тока в процессе электролитического осаждения. Например, плотность тока 100 А/кв. фут в условиях осаждения может привести к зернистости цинка, но размер зерен цинка может быть значительно снижен по сравнению с плотностью тока 20 А/кв. фут в условиях осаждения. Более того, число зерен может значительно возрасти при плотности тока 100 А/кв. фут в условиях осаждения. Полученная пленка цинка может, в конце концов, склеиться в более или менее равномерный слой лишь с некоторыми остаточными элементами зернистости, соблюдая при этом вертикальный зазор около 5-10 мкм.

Дополнительным преимуществом индия в электрохимическом элементе может быть пониженное выделение H2, которое может представлять собой медленный процесс, происходящий в водных электрохимических элементах, содержащих цинк. Индий может быть предпочтительно нанесен на один или более анодных токоотводов, на сам анод в качестве соосажденного легирующего компонента или в качестве поверхностного покрытия на электролитически осажденный цинк. В последнем случае поверхностные покрытия из индия может быть желательно наносить на месте с помощью добавки к электролиту, такой как трихлорид индия или ацетат индия. При введении таких добавок в электролит в небольших концентрациях индий может спонтанно осаждаться на открытые цинковые поверхности, а также на участки открытого анодного токоотвода.

Цинковые и аналогичные аноды, обычно применяемые в доступных в продаже первичных батареях, как правило, доступны в форме листов, стержней и пасты. Анод миниатюрной биосовместимой батареи может иметь аналогичную форму, например, тонкой фольги, или может быть осажден, как описано выше. Свойства этого анода могут существенно отличаться от свойств анодов существующих батарей, например, вследствие различий в примесях или обработке поверхности, связанных с процессами механической обработки и электролитического осаждения. Соответственно, электроды и электролит могут потребовать специального проектирования, чтобы удовлетворить требования к емкости, полному сопротивлению и сроку хранения. Например, для оптимизации характеристик 15 электродов могут потребоваться специальные параметры способа электроосаждения, композиция ванны для осаждения, обработка поверхности и композиция электролита.

Компоновка и изготовление батареи

Компоновка и технология производства батареи могут быть тесно связаны между собой. Как описано в предыдущих разделах настоящего изобретения, батарея может иметь следующие элементы: катод, анод, сепаратор, электролит, катодный токоотвод, анодный токоотвод и герметизатор трубчатой формы. В некоторых примерах конфигурация может иметь компоненты двойного назначения, например, металлическую изолирующую оболочку в виде банки или трубки также применяют в качестве токоотвода. С точки зрения относительного объема и толщины почти все эти элементы могут иметь такой же объем, за исключением катода. В некоторых примерах электрохимические системы могут требовать объем катода, превышающий объем анода приблизительно в 2-10 (два-десять) раз, ввиду существенных различий в механической плотности, плотности энергии, эффективности разряда, чистоте материала, а также наличии связующих, наполнителей и проводящих агентов.

Аспекты биосовместимости батарей

Батареи согласно настоящему изобретению могут иметь важные аспекты, касающиеся безопасности и биосовместимости. В некоторых примерах батареи для биомедицинских устройств должны удовлетворять требованиям, выходящим за рамки типовых сценариев применения. В некоторых примерах могут учитываться аспекты конфигурации, касающиеся случаев нагрузки. Например, может потребоваться учесть безопасность электронной контактной линзы для случаев, когда пользователь ломает линзу в процессе ее внедрения или извлечения. В другом примере аспекты конфигурации могут учитывать вероятность удара пользователя посторонним предметом в глаз. В дополнительных примерах условия нагрузки, которые можно учитывать при разработке параметров и ограничений конфигурации, могут относиться к вероятности ношения пользователем линз в неблагоприятных условиях окружающей среды, таких как окружающая среда под водой или окружающая среда на большой высоте, в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.

На безопасность такого устройства могут влиять: материалы, с применением которых или из которых изготовлено устройство; количество материалов, применяемых при изготовлении устройства; и изолирующая оболочка, наносимая для отделения устройств от окружающей среды на теле или внутри тела. В одном примере кардиостимуляторы могут быть типичным примером биомедицинского устройства, которое может включать батарею и которое может быть имплантировано пользователю на длительный период времени. В некоторых примерах такие кардиостимуляторы, как правило, могут быть заключены в инкапсулированные путем сварки титановые корпусы или в других примерах - множество слоев оболочки. Новые биомедицинские устройства с электропитанием могут представлять дополнительные сложности в том, что касается оболочки, особенно оболочки батарей. Эти новые устройства могут быть намного меньше существующих биомедицинских устройств, например, электронная контактная линза или камера-таблетка могут быть значительно меньше кардиостимулятора. В таких примерах объем и площадь, имеющиеся для оболочки, могут быть значительно сокращены. Преимуществом ограниченного объема может быть то, что количества материалов и химикатов могут быть настолько малы, что по своей природе ограничивают потенциал воздействия на пользователя до уровня ниже предела безопасности.

Подход на основе трубки, в частности, когда он включает в себя герметичные уплотнения, может служить средством для повышения биосовместимости. Каждый из компонентов трубки может представлять собой значительный барьер для проникновения и выхода материалов. Кроме того, с применением многих из описанных в настоящем документе способов герметичного уплотнения может быть образована батарея, которая обладает превосходной биосовместимостью.

Юбки контактной линзы

В некоторых примерах предпочтительный инкапсулирующий материал, который может формировать инкапсулирующий слой в биомедицинском устройстве, может включать в себя силиконсодержащий компонент. В примере этот инкапсулирующий слой может формировать линзовую юбку контактной линзы. Под термином «силиконсодержащий компонент» понимают компонент, который содержит, по меньшей мере, одно звено [-Si-O-] в составе мономера, макромера или форполимера. Предпочтительно общее содержание Si и связанного с ним O в силиконсодержащем компоненте составляет более чем около 20% масс., более предпочтительно более чем 30% масс. от общей молекулярной массы силиконсодержащего компонента. Используемые силиконсодержащие компоненты предпочтительно содержат полимеризуемые функциональные группы, такие как акрилатная, метакрилатная, акриламидная, метакриламидная, виниловая, N-виниллактамовая, N-виниламидная и стириловая функциональные группы.

В некоторых примерах юбка офтальмологической линзы, также называемая инкапсулирующим вставку слоем, который окружает вставку, может быть выполнена из стандартных гидрогелевых составов для офтальмологической линзы. Примеры материалов с характеристиками, которые могут обеспечивать приемлемое сочетание с множеством материалов вставки, могут включать в себя материалы семейства нарафилкона (включая нарафилкон A и нарафилкон B) и семейства этафилкона (включая этафилкон A). Ниже представлено более полное с технической точки зрения описание природы материалов, соответствующих уровню техники, описанному в настоящем документе. Специалисту в данной области будет понятно, что другие материалы, отличные от описанных ниже, также позволяют формировать приемлемую оболочку или частичную оболочку для уплотненных и герметизированных вставок, и они должны рассматриваться как последовательные и включенные в пределы объема формулы изобретения.

Приемлемые для целей настоящего изобретения силиконсодержащие компоненты включают соединения формулы I

где

R1 независимо выбран из одновалентных реакционноспособных групп, одновалентных алкильных групп или одновалентных арильных групп, причем любая из вышеупомянутых может дополнительно содержать функциональные группы, выбираемые из гидрокси, амино, окса, карбокси, алкилкарбокси, алкокси, амидо, карбамата, карбоната, галогена или их комбинаций; а одновалентные силоксановые цепи содержат 1-100 повторяющихся звеньев Si-O и могут дополнительно содержать функциональные группы, выбираемые из алкила, гидрокси, амино, окса, карбокси, алкилкарбокси, алкокси, амидо, карбамата, галогена и их комбинаций;

где b=0-500, причем предполагается, что, если b отлично от 0, то по b имеется распределение, мода которого равна заявленному значению;

где, по меньшей мере, один R1 содержит одновалентную реакционноспособную группу, а в некоторых примерах

от одного до 3 R1 содержат одновалентную реакционноспособную группу.

Используемый в настоящем документе термин «одновалентные реакционноспособные группы» относится к группам, способным к реакциям свободнорадикальной и/или катионной полимеризации. Характерные, но неограничивающие примеры свободнорадикальных реакционноспособных групп, содержат (мет)акрилаты, стирилы, винилы, виниловые эфиры, C1-6алкил(мет)акрилаты, (мет)акриламиды, C1-6алкил(мет)акриламиды, N-виниллактамы, N-виниламиды, C2-12алкенилы, C2-12алкенилфенилы, C2-12алкенилнафтилы, C2-6алкенилфенилC1-6алкилы, O-винилкарбаматы и O-винилкарбонаты. Не имеющие ограничительного характера примеры катионных реакционноспособных групп включают винилэфирные или эпоксидные группы, а также их смеси. В одном варианте осуществления свободнорадикальные реакционноспособные группы содержат (мет)акрилат, акрилокси, (мет)акриламид и их смеси.

Приемлемые одновалентные алкильные и арильные группы включают незамещенные одновалентные C1-C16 алкильные группы, C6-C14 арильные группы, такие как замещенные и незамещенные метил, этил, пропил, бутил, 2-гидроксипропил, пропоксипропил, полиэтиленоксипропил, их комбинации и т. п.

В одном примере b равно нулю, один R1 представляет собой одновалентную реакционноспособную группу, и, по меньшей мере, 3 R1 выбраны из одновалентных алкильных групп, имеющих от 1 до 16 атомов углерода, и в другом примере - из одновалентных алкильных групп, имеющих от 1 до 6 атомов углерода. Примеры силиконовых компонентов, упомянутых в настоящем варианте осуществления, включают в себя, помимо прочего, 2-метил-,2-гидрокси-3-[3-[1,3,3,3-тетраметил-1-[(триметилсилил)окси]дисилоксанил]пропокси]пропиловый эфир (SiGMA), 2-гидрокси-3-метакрилоксипропилоксипропил-трис (триметилсилокси)силан, 3-метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силан (TRIS), 3-метакриловый(триметилсилокси)метилсилан и 3-метакрилоксипропилпентаметил дисилоксан.

В другом примере b равно от 2 до 20, от 3 до 15 или в некоторых примерах от 3 до 10; по меньшей мере, один концевой фрагмент R1 представляет собой одновалентную реакционноспособную группу, а остальные группы R1 выбраны из одновалентных алкильных групп, имеющих от 1 до 16 атомов углерода, а в другом варианте осуществления - из одновалентных алкильных групп, имеющих от 1 до 6 атомов углерода. В еще одном варианте осуществления b равно от 3 до 15, один концевой R1 представляет собой одновалентную реакционноспособную группу, другой концевой R1 представляет собой одновалентную алкильную группу, имеющую от 1 до 6 атомов углерода, а остальные R1 представляют собой одновалентные алкильные группы, имеющие от 1 до 3 атомов углерода. Не имеющие ограничительного характера примеры силиконовых компонентов этого варианта осуществления включают полидиметилсилоксан с конечными (моно-(2-гидрокси-3-метакрилоксипропил)-пропил-эфирными группами (молекулярная масса 400-1000)) (OH-mPDMS), полидиметилсилоксаны с конечной монометакрилоксипропильной группой с конечной моно-н-бутильной группой (молекулярная масса 800-1000), (mPDMS).

В другом примере b равно от 5 до 400 или от 10 до 300, оба концевых R1 представляют собой одновалентные реакционноспособные группы, а остальные R1 независимо выбирают из одновалентных алкильных групп, имеющих от 1 до 18 атомов углерода, которые могут иметь эфирные связи между атомами углерода и могут дополнительно содержать галоген.

В одном примере, где желательно использовать линзы из силиконового гидрогеля, линзы настоящего изобретения изготавливают из реакционноспособной смеси, содержащей, по меньшей мере, около 20 и предпочтительно от около 20 до 70% масс. силиконсодержащих компонентов в расчете на общую массу реакционноспособных компонентов мономерной смеси, из которой образуется полимер. В другом варианте осуществления от одного до четырех R1 представляют собой винилкарбонат или карбамат формулы:

Формула II

где Y обозначает O-, S- или NH-;

R обозначает водород или метил; d равно 1, 2, 3 или 4; и q равно 0 или 1.

Силиконсодержащие винилкарбонатные или винилкарбаматные мономеры конкретно включают: 1,3-бис[4-(винилоксикарбонилокси)бут-1-ил]тетраметил-дисилоксан; 3-

(винилоксикарбонилтио) пропил-[трис (триметилсилокси)силан]; 3-[трис(триметилсилокси)силил]пропилаллилкарбамат; 3-[трис(триметилсилокси)силил] пропилвинилкарбамат; триметилсилилэтилвинилкарбонат; триметилсилилметилвинилкарбонат, и

Если необходимы биомедицинские устройства с модулем упругости менее около 200, только один R1 должен представлять собой одновалентную реакционноспособную группу, и не более двух из остальных R1 должны представлять собой одновалентные силоксановые группы.

Другой класс силиконсодержащих компонентов включает в себя полиуретановые макромеры со следующими формулами:

Формулы IV-VI

(*D*A*D*G)a *D*D*E1;

E(*D*G*D*A)a *D*G*D*E1 или;

E(*D*A*D*G)a *D*A*D*E1,

где

D обозначает алкильный бирадикал, алкилциклоалкильный бирадикал, циклоалкильный бирадикал, арильный бирадикал или алкиларильный бирадикал, имеющий от 6 до 30 атомов углерода;

G обозначает алкильный бирадикал, циклоалкильный бирадикал, алкилциклоалкильный бирадикал, арильный бирадикал или алкиларильный бирадикал, имеющий от 1 до 40 атомов углерода, который может содержать в основной цепи эфирные, тиоэфирные или аминовые связи;

* означает уретановую или уреидовую связь; a равно, по меньшей мере, 1;

A означает двухвалентный полимерный радикал формулы:

Формула VII

R11 независимо обозначает алкильную или фтор-замещенную алкильную группу, имеющую от 1 до 10 атомов углерода, которая может иметь эфирные связи между атомами углерода; y равно, по меньшей мере, 1; и p обеспечивает молекулярную массу от 400 до 10 000; каждый из E и E1 независимо обозначает полимеризуемый ненасыщенный органический радикал, представленный формулой:

Формула VIII

где R12 представляет собой водород или метил; R13 представляет собой водород, алкильный радикал, имеющий от 1 до 6 атомов углерода, или радикал -CO-Y-R15, в котором Y представляет собой -O-, Y-S- или -NH-; R14 - двухвалентный радикал, имеющий от 1 до 12 атомов углерода; X означает -CO- или -OCO-; Z означает -O- или -NH-; Ar означает ароматический радикал, имеющий от 6 до 30 атомов углерода; w равно от 0 до 6; x равно 0 или 1; y равно 0 или 1; и z равно 0 или 1.

Предпочтительно силиконсодержащий компонент представляет собой полиуретановый макромер, представленный следующей формулой:

Формула IX

где R16 представляет собой бирадикал диизоцианата после удаления изоцианатной группы, такой как бирадикал изофорондиизоцианата. Другим приемлемым силиконсодержащим макромером является соединение формулы X (где x+y представляет собой число в диапазоне от 10 до 30), получаемое при реакции фторэфира, полидиметилсилоксана с концевой гидроксильной группой, изофорондиизоцианата и изоцианатоэтилметакрилата.

Формула X

Другие силиконсодержащие компоненты, приемлемые для применения в настоящем изобретении, включают: макромеры, содержащие полисилоксановые, полиалкиленэфирные, диизоцианатные, полифторуглеводородные, полифторэфирные и полисахаридные группы; полисилоксаны с полярной фторированной привитой или боковой группой, имеющей атом водорода, прикрепленный к концевому дифторзамещенному атому углерода; гидрофильные силоксанилметакрилаты, содержащие простые эфирные и силоксанильные связи; а также поперечно-сшиваемые мономеры, содержащие полиэфирные и полисилоксанильные группы. В некоторых примерах основная цепь полимера может иметь встроенные в нее цвиттерионы. Эти цвиттерионы могут демонстрировать заряды обеих полярностей вдоль полимерной цепи, когда материал находится в присутствии растворителя. Наличие цвиттерионов может улучшить смачиваемость полимеризованного материала. В некоторых примерах любые из представленных выше полисилоксанов также можно применять в настоящем изобретении в качестве инкапсулирующего слоя.

Биосовместимые батареи могут применяться в биосовместимых устройствах, таких как, например, имплантируемые электронные устройства, такие как кардиостимуляторы и микроустройства сбора энергии, электронные таблетки для контроля и/или тестирования биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, офтальмологические устройства, микронасосы, дефибрилляторы, стенты и т. п.

Описаны конкретные примеры для иллюстрации вариантов осуществления катодной смеси для применения в биосовместимых батареях. Эти примеры предназначены для указанных целей иллюстрации и ни в коей мере не призваны ограничивать объем формулы изобретения. Соответственно, описание призвано охватить все примеры, которые могут быть очевидны для специалистов в данной области.

1. Контактная линза, содержащая:

электроактивный компонент, выполненный с возможностью изменения фокусных характеристик контактной линзы;

батарею, содержащую анодный токоотвод, катодный токоотвод, анод, электролит и катод, причем катод содержит электроосажденное катодное химическое вещество, представляющее собой электролитический диоксид марганца; и

биосовместимый герметизирующий слой, причем биосовместимый герметизирующий слой герметизирует по меньшей мере упомянутые электроактивный компонент и батарею.

2. Контактная линза по п. 1, в которой катод содержит углеродную ткань, на которую электроосаждено катодное химическое вещество.

3. Контактная линза по п. 1, в которой катодный токоотвод содержит титан, причем электролитический диоксид марганца осажден на первую поверхность катодного токоотвода, содержащую титан.

4. Контактная линза по п. 3, в которой электролитический диоксид марганца осажден на вторую поверхность катодного токоотвода, содержащую титан.

5. Контактная линза по п. 1, в которой анод содержит цинк.

6. Контактная линза по п. 5, в которой анодные химические вещества содержат электроосажденный цинк.

7. Контактная линза по п. 1, в которой электролит содержит NH4Cl, ZnCl2 и H2O.

8. Контактная линза по п. 1, в которой толщина пленки катодного химического вещества, нанесенной на катод, составляет приблизительно 10 мкм.

9. Контактная линза по п. 1, в которой толщина пленки катодного химического вещества, нанесенной на катод, составляет менее 100 мкм.

10. Контактная линза по п. 1, в которой толщина пленки катодного химического вещества, нанесенной на катод, составляет менее 500 мкм.

11. Контактная линза по п. 1, дополнительно содержащая сепаратор, причем сепаратор представляет собой микроволокнистый, микропористый монослой полиэтилена.

12. Батарея для контактной линзы, содержащая:

анодный токоотвод;

анод;

электролит; и

катодный токоотвод, причем катодный токоотвод представляет собой металлическую проволоку; и

катод, причем катод содержит электролитический диоксид марганца, электроосажденный на катодный токоотвод.

13. Батарея для контактной линзы, содержащая:

анодный токоотвод, причем анодный токоотвод представляет собой первую металлическую трубку, закрытую на первом конце;

анод, причем анодное химическое вещество содержится внутри первой металлической трубки;

электролит;

катодный токоотвод, причем катодный токоотвод представляет собой проволоку;

керамический концевой колпачок с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично стыкуется с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично стыкуется с катодным токоотводом;

катод, причем катод содержит электролитический диоксид марганца, электроосажденный на катодный токоотвод; и

уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой.

14. Способ изготовления батареи для контактной линзы, включающий:

получение катодного токоотвода;

придание шероховатости поверхности катодного токоотвода;

помещение катодного токоотвода в химическую ванну, содержащую соль марганца;

помещение гальванического электрода в химическую ванну;

установление электрического потенциала на катодном токоотводе и гальваническом электроде, причем этот электрический потенциал вызывает электрохимическое осаждение диоксида марганца на катодный токоотвод; и

сборку катодного токоотвода с электроосажденным диоксидом марганца вместе с по меньшей мере анодом, анодным токоотводом и электролитом.

15. Способ по п. 14, в котором толщина электроосажденного диоксида марганца составляет менее 100 микрон.

16. Способ по п. 15, в котором катодный токоотвод составляет менее чем один миллиметр шириной в первом направлении, причем это направление находится под прямым углом к толщине электроосажденного диоксида марганца.

17. Способ по п. 14, дополнительно включающий сборку катодного токоотвода с электроосажденным диоксидом марганца вместе с сепаратором и герметизацию собранного узла в биосовместимом материале, который уплотняют по его периферии.

18. Способ по п. 17, дополнительно включающий размещение герметизированного собранного узла в контактной линзе.

19. Способ по п. 14, причем химическая ванна содержит MnSO4 и H2SO4.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к катодной смеси для использования в биосовместимой батарее. Описаны также способы и аппарат для образования биосовместимых элементов питания.

Изобретение относится к технологии производства материалов для литий-ионных аккумуляторов. Композиционный материал на основе LiMnPO4, синтезированный химическим путем, содержит (1-x) LiMn2O4, где х представляет собой количество LiMnPO4 и изменяется от 0,67 мол.

Изобретение относится к технологии получения материала на основе смешанного оксида лития и марганца со структурой шпинели для использования его во вторичных батареях.

Активный материал положительного электрода для электрического устройства содержит первый активный материал и второй активный материал. Первый активный материал состоит из оксида переходного металла, представленного формулой (1): Li1,5[NiaCobMnc[Li]d]O3 …(1), где в формуле (1) a, b, c и d удовлетворяют соотношениям: 0<d<0,5; a+b+c+d=1,5; и 1,0<a+b+c<1,5.

Изобретение относится к аккумуляторной батарее, включающей в себя положительный электрод, который может поглощать и выделять литий, и жидкий электролит. При этом положительный электрод содержит активный материал положительного электрода, который работает при потенциале 4,5 В или выше по отношению к литию; и при этом жидкий электролит содержит фторированный простой эфир, представленный следующей формулой (1), и циклический сульфонат, представленный следующей формулой (2): (1).

Предложен активный материал положительного электрода для литий-ионной вторичной батареи, содержащий соединение, представленное следующей формулой состава: [Li1,5][Li0,5(1-x)Mn1-xM1,5x]O3, где x удовлетворяет соотношению 0,15≤x≤0,30, а M представлен формулой NiαCoβMnγ, в которой α, β и γ удовлетворяют соответственно соотношениям 0<α≤0,5; 0≤β≤0,33 и 0<γ≤0,5, причем полуширина пика от кристаллической плоскости (001) соединения, измеренная методом рентгеновской дифракции, составляет в диапазоне от 0,19 до 0,212 включительно, а средний диаметр первичных частиц соединения составляет в диапазоне от 0,19 мкм до 0,25 мкм включительно.

Изобретение относится к активному материалу положительного электрода литий-воздушного аккумулятора в виде нитевидных кристаллов состава KxMnO2 (x=0,1-0,15) длиной от 0,1 мкм до 2 мм и диаметром от 20 до 30 нм для обратимого восстановления кислорода на положительном электроде.

Изобретение относится к материалу положительного электрода для электрического устройства. Материал положительного электрода для электрического устройства представлен формулой: (где 0<а<1, 0<х<0,5 и 0<y<0,3) и удовлетворяет выражению отношения 2х+y<1.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к составу смеси для положительного электрода Mn, Zn щелочного химического источника тока. .

Изобретение относится к активному катодному материалу, обеспечивающему характеристики элемента, не подверженные отрицательному воздействию переразрядки, а также к вторичному литиевому элементу с его использованием.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении сухозаряженных цинковых электродов для резервных щелочных источников тока.

Изобретение относится к активному материалу отрицательного электрода для электрического устройства, содержащему сплав с формулой состава SixZnyAlz, где каждый из х, y и z представляет массовое процентное содержание, удовлетворяющее: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 и (4) 22≤z≤46.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении цинковых электродов для щелочных аккумуляторов. .
Изобретение относится к электротехнике, в частности, к химическим источникам тока никель-кадмиевой системы. .

Изобретение относится к литий-ионной вторичной батарее и к способу ее изготовления. Способ изготовления литий-ионной вторичной батареи включает слой композиции положительного электрода, сформированной на токосъемнике положительного электрода с использованием водной композиции пасты положительного электрода, которая включает активный материал положительного электрода, включающий сложный оксид лития и марганца и водный растворитель, и дополнительно включает Li5FeO4 в качестве добавки.

Группа изобретений относится к медицине. Контактная линза содержит: электроактивный компонент, выполненный с возможностью изменения фокусных характеристик контактной линзы; батарею, содержащую анодный токоотвод, катодный токоотвод, анод, электролит и катод, причем катод содержит электроосажденные катодные химические вещества, причем катод содержит электролитический диоксид марганца; и биосовместимый герметизирующий слой, причем биосовместимый герметизирующий слой герметизирует электроактивный компонент и батарею. Батарея для контактной линзы содержит: анодный токоотвод, причем анодный токоотвод представляет собой первую металлическую трубку, закрытую на первом конце; анод, причем анодное химическое вещество содержится внутри первой металлической трубки; электролит; катодный токоотвод, причем катодный токоотвод представляет собой проволоку; керамический концевой колпачок с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с катодным токоотводом; катод, причем катодное химическое вещество электроосаждено на катодный токоотвод, причем катод содержит электролитический диоксид марганца; и уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой. Способ изготовления батареи для контактной линзы, включающий: получение катодного токоотвода; придание шероховатости поверхности катодного токоотвода; помещение катодного токоотвода в химическую ванну, содержащую соль марганца; помещение гальванического электрода в химическую ванну; установление электрического потенциала на катодном токоотводе и гальваническом электроде, причем этот электрический потенциал вызывает электрохимическое осаждение диоксида марганца на катодный токоотвод; и сборку катодного токоотвода с электроосажденным диоксидом марганца вместе с анодом, анодным токоотводом и электролитом. Применение данной группы изобретений позволит улучшить обработку и конфигурацию катода для применения в биосовместимых элементах питания. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 12 ил.

Наверх