Перезаряжаемые элементы питания
Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления перезаряжаемого устройства питания путем печати по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи и суперконденсатора. Повышение надежности работы устройства питания является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что способ предусматривает перезарядку по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи через управляющую электронику, выполненную с возможностью подключения суперконденсатора(ов) к упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее, обладающей высокой удельной емкостью. Перезаряжаемое устройство питания для быстрой перезарядки и подачи питания на электронное оборудование, в соответствии с предложенным способом выполнено компактным и гибким по конструкции, и может быть встроено в устройство и/или одежду пользователя. Кроме того, отпечатанные перезаряжаемые батареи, соединенные с суперконденсаторами, обеспечивают высокую емкость. 54 з.п. ф-лы, 17 ил.
Область техники
Данное изобретение относится к перезаряжаемым элементам питания.
Предпосылки изобретения
Традиционные перезаряжаемые батареи обычно выполнены на основе литий-ионной (Li-ионной) химической системы. Эти батареи обычно легкие по весу и дают напряжения до 4,2 В, что делает их идеальными для запитывания небольших электрических и электронных приборов.
Ограничение технологии Li-ионных перезаряжаемых батарей состоит в том, что зарядная емкость Li-ионной батареи прямо пропорциональна массе батареи, так что электропитание приборов повышенной мощности, таких как электроинструменты и портативные компьютеры, приводит к утяжелению требуемой литий-ионной батареи. Дополнительные ограничения состоят в том, что обычно Li-ионные батареи долго заряжаются и в некоторых ситуациях могут быть опасными из-за их легко воспламеняющихся компонентов. Напротив, перезаряжаемые батареи на основе никель-ионной (Ni-ионной), цинк-ионной (Zn-ионной) и алюминий-ионной (Al-ионной) химических систем можно быстро заряжать, и они обладают более высокими плотностями энергии, чем традиционные Li-ионные батареи.
Сущность изобретения
Аспекты изобретения охарактеризованы в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую компоновку компонентов элемента питания в по меньшей мере некоторых вариантах воплощения изобретения.
Фигуры 2A и 2B показывают первый вариант воплощения элемента питания.
Фигура 3 показывает второй вариант воплощения элемента питания, содержащий матрицы суперконденсаторов на обеих сторонах перезаряжаемой батареи.
Фигура 4 показывает элемент питания, реализованный во вторичном блоке питания.
Фигура 5 показывает элемент питания, реализованный во вторичном блоке питания, функционирующем для индуктивной зарядки бытового электронного прибора.
Фигуры 6A и 6B показывают элемент питания, реализованный непосредственно в бытовом электронном приборе.
Фигура 7 показывает последовательность элементов питания, расположенных в матрице элементов питания.
Фигура 8 показывает элемент питания, реализованный в конструкции типа традиционной батареи.
Фигуры 9A и 9B показывают элемент питания, реализованный в энергоаккумулирующем и светоизлучающем устройстве.
Фигура 10 показывает первый вариант воплощения элемента питания, реализованного в одежде.
Фигура 11 показывает второй вариант воплощения элемента питания, реализованного в одежде.
Фигура 12 показывает первый вариант воплощения элемента питания, реализованного в устройстве носимых технологий.
Фигура 13 показывает второй вариант воплощения элемента питания, реализованного в устройстве носимых технологий.
Фигура 14 показывает третий вариант воплощения элемента питания, реализованного в устройстве носимых технологий.
Фигура 15 показывает четвертый вариант воплощения элемента питания, реализованного в устройстве носимых технологий.
Подробное описание вариантов воплощения
Фигура 1 показывает блок-схему, иллюстрирующую компоновку компонентов элемента 1 питания. Элемент 1 питания содержит входной источник 4 электропитания, снабжаемый электроэнергией от внешнего источника электропитания, который может представлять собой штепсельный источник электропитания, сконструированный для подачи большего количества энергии на элемент 1 питания, чем стандартные зарядные устройства. Такой входной источник электропитания может давать больше энергии, чем подавалось бы на стандартную перезаряжаемую батарею, и может быть большим, чем обычно имеющийся, с использованием стандартного соединения типа универсальной последовательной шины (universal serial bus, USB). Входной источник 4 электропитания соединен с блоком 5 управляющей электроники входного источника электропитания, который, в свою очередь, соединен с суперконденсатором (суперконденсаторами) 2. Блок 5 управляющей электроники входного источника электропитания может представлять собой систему интегральных схем, выполненных с возможностью безопасного регулирования количества энергии, подаваемой на суперконденсатор(ы) 2. Суперконденсатор(ы) 2 может (могут) представлять собой печатные суперконденсаторы или матрицу печатных суперконденсаторов, или любое аналогичное устройство или матрицу устройств, которое(ая) подбирается на заказ по форме и размеру и подходит для быстрых зарядки и разрядки много раз без ущерба для внутренней химической системы устройства.
Энергия быстро пропускается от входного источника 4 электропитания через управляющую электронику 5 входного источника электропитания на суперконденсатор(ы) 2. Суперконденсатор(ы) 2 может(могут) быть подключен(ы) к управляющей суперконденсатором(ами) электронике 8. Энергия аккумулируется в суперконденсаторе(ах) 2 перед ее прохождением на электронику 6 управления зарядом. Электроника 6 управления зарядом соединена как с электроникой 7 управления выходом, так и с по меньшей мере одной перезаряжаемой батареей 3. Эта по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея 3 также соединена с электроникой управления выходом. Упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея 3 может включать перезаряжаемую батарею на основе любой из Ni-ионной, Zn-ионной или Al-ионной химической системы. Перезаряжаемые батареи на основе Ni-ионной, Zn-ионной и Al-ионной химических систем являются предпочтительными перед Li-ионной химической системой, поскольку перезаряжаемые батареи на основе Ni-ионной, Zn-ионной и Al-ионной химических систем способны принимать заряд от суперконденсатора(ов) 2 с более высокой скоростью.
Энергия, которая аккумулируется в суперконденсаторе(ах) 2, может быть использована непосредственно электроникой 7 управления выходом для запитывания или перезарядки электронного прибора, или же энергия, которая аккумулируется в суперконденсаторе(ах) 2, может быть использована для зарядки упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи 3. Оба этих действия отводят заряд от суперконденсатора(ов) 2, таким образом обеспечивая резервную мощность, чтобы суперконденсатор(ы) 2 накапливал(и) больше заряда.
В том случае, когда энергия, которая аккумулируется в суперконденсаторе(ах) 2, была полностью пропущена на упомянутую по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею 3 и/или использована внешним устройством, суперконденсатор(ы) 2 будет способен принимать больше заряда с высокой скоростью. Энергию, которая аккумулируется в упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее 3, можно использовать для перезарядки электронного прибора, и его можно одновременно перезаряжать суперконденсатором(ами).
Упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея 3 неспособна превышать заданные напряжение или скорость разряда, что препятствует ее использованию для энергоснабжения электронных приборов, которые обладают более высокой скоростью энергопотребления. В этом случае, из-за достаточно высокой емкости упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи 3, эту по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею 3 можно использовать для зарядки суперконденсатора(ов) 2. Тогда суперконденсатор(ы) 2 можно использовать посредством электроники 7 управления выходом для запитывания электронного прибора, которому требуется источник электропитания с более высокими скоростями, чем достижимые упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареей 3.
Суперконденсатор(ы) 2 можно заряжать существенно быстрее, чем традиционную перезаряжаемую батарею от источника электропитания, и поэтому суперконденсатор(ы) 2 обеспечивают значительно сниженное время зарядки элемента 1 питания. Энергия, аккумулированная в суперконденсаторе(ах) 2, затем используется для более медленной зарядки упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи 3, с сильным снижением вероятности повреждения упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи 3 и с высвобождением емкости суперконденсатора(ов) 2 для быстрого аккумулирования большего заряда, при следующей возможности зарядки. При подключении к внешнему источнику электропитания управляющая электроника 5 входного источника электропитания позволяет быстро заряжать суперконденсатор(ы) 2 и упомянутую по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею одновременно. При отключении внешнего источника электропитания суперконденсатор(ы) 2 может передавать заряд упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее 3 для долговременного хранения.
При подключении элемента 1 питания к стандартному USB-источнику электропитания элемент питания будет заряжать упомянутую по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею 3 со скоростью, поддерживаемой устройством, подающим заряд.
Компоненты элемента 1 питания могут содержать узел из множественных слоев активных материалов, которые могут быть отпечатаны путем использования современных методов печати, таких как трафаретная печать, струйная печать, флексографическая печать, ротаторная печать и ротационная глубокая печать, на различных электропроводящих подложках. Подложки могут быть гибкими, полугибкими или жесткими. Элемент 1 питания может быть изготовлен способами типа «с рулона на рулон» или периодического производства.
Высокоемкие отпечатанные перезаряжаемые батареи 3 на основе Zn-ионной, Ni-ионной или Al-ионной химических систем могут быть выгодно соединены с суперконденсатором(ами) 2. Теоретические значения объемных емкостей, представленные в нижеприведенной таблице, показывают, что многовалентные катионы, такие как Ni2+, Zn2+ и Al3+, которые обладают способностью привносить более одного электрона в электрохимическую реакцию, приводят к более высоким значениям емкости, чем ион Li+. Сопоставимая тенденция наблюдается в случае полученных методом трафаретной печати перезаряжаемых батарей на основе Ni2+, Zn2+ и Al3+, где получена средняя удельная емкость > 150 мА⋅ч/г.
| Ион | Стандартный электродный потенциал (В) | Объемная емкость (мА⋅ч/см3) |
| Li+ | -3,05 | 2044 |
| Ni2+ | -0,25 | 8133 |
| Zn2+ | -0,76 | 5854 |
| Al3+ | -1,66 | 8046 |
Перезаряжаемая батарея
Упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея 3 может содержать подложки токоотвода, печатные электродные материалы для анода и катода, электролит и сепаратор между электродами. Эти слои упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи 3 могут быть отпечатаны путем использования современных методов печати, таких как трафаретная печать, струйная печать, флексографическая печать, ротаторная печать и ротационная глубокая печать.
Подложки токоотвода могут быть металлическими или неметаллическими и обеспечивать физический носитель для печатных электродных материалов. Металлические подложки токоотвода могут содержать любой из медного, алюминиевого, никелевого, титанового, стального, серебряного нанопровода, покрытого ПЭТ/ПЭН/ПИ, или любой другой металлический материал. Неметаллические подложки токоотвода могут представлять собой любой из оксида индия-олова с покрытием из ПЭТ/ПЭН/ПИ, нитрида титана с покрытием из ПЭТ/ПЭН/ПИ, поли(3,4-этилендиокситиофен)полистиролсульфоната с покрытием из ПЭТ/ПЭН/ПИ, или любой другой неметаллический материал. Анод и катод могут содержать либо одинаковые, либо отличные друг от друга материалы токоотвода.
Анодные и катодные (электродные) материалы для упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи могут быть приготовлены в форме суспензий в водной связующей системе. Водная связующая система может содержать, но не ограничена ими, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, метилгидроксиэтиловый эфир целлюлозы, гидроксиэтиловый эфир целлюлозы, поли(2-гидроксипропилметакрилат), полиэтиленоксид, полиакриламиды, казеин, полиакриловую кислоту или производные гуаровой камеди. Физические свойства приготовленной суспензии можно оптимизировать в зависимости от задействованного способа печати и морфологии поверхности подложек токоотвода, используемых при изготовлении перезаряжаемой батареи.
Суспензии, содержащие Ni, Zn или Al, можно наносить трафаретной печатью на воздухе непосредственно на материал токоотвода, с последующей термообработкой в конвекционной печи, с получением спеченных анодов. Спеченные аноды также можно получать нетрадиционными методами термообработки, такими как нагрев ближним инфракрасным излучением или фотонное спекание, за крайне малый промежуток времени. Это выгодно для технологий изготовления материалов перезаряжаемой батареи «с рулона на рулон».
Катоды для упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи 3 могут быть выполнены из слоистого материала, включая, но не ограничиваясь ими, α-MnO2, λ-MnO2, TiO2, тодоркит, гексацианоферрат цинка, гексацианоферрат меди, шпинель Mn2O4, гексацианоферрат никеля, аэрогели, V2O5, графит, графен, углеродные нанотрубки, кислородсодержащие перовскитные соединения, глины и тальк. Как и в случае с анодами, суспензии, содержащие катодные материалы, также можно наносить трафаретной печатью на воздухе на подложки токоотвода и подвергать термообработке в печи, либо с использованием методов нагрева ближним инфракрасным излучением или фотонного спекания.
Для Ni-ионных, Zn-ионных и Al-ионных перезаряжаемых батарей можно использовать водные, невоспламеняющиеся электролиты, которые сравнительно менее токсичны, чем эквиваленты с органическими растворителями. Эти электролиты содержат соли соответствующих ионов металлов, включая, но не ограничиваясь ими: NiSO4, ZnSO4, AlCl3 и Al2(SO4)3. Эти электролиты могут содержать некоторое число дополнительных добавок для регулировки различных электрохимических свойств Ni-ионных, Zn-ионных и Al-ионных перезаряжаемых батарей, включая напряжение, ток, подвижность ионов, внутреннее электросопротивление, кинетику коррозии и прочие. Эти электролиты могут быть стабильными на воздухе, а следовательно, перезаряжаемые батареи на основе Ni-ионной, Zn-ионной и Al-ионной химических систем могут быть собраны в условиях окружающей среды.
Изготовленные указанным образом вторичные батареи на основе Ni, Zn или Al не требуют никаких воспламеняющихся или агрессивных химикатов; электролиты и суспензии для выполнения электродов могут быть созданы лишь на основе воды. Как таковые, перезаряжаемые батареи на основе Ni, Zn и Al более экологичны и безопасны, чем традиционные Li-ионные перезаряжаемые батареи и другие подобные устройства.
Суперконденсатор
Суперконденсатор (суперконденсаторы) 2 могут быть отпечатаны с использованием традиционных методов печати, таких как трафаретная печать, струйная печать, флексографическая печать, ротаторная печать и ротационная глубокая печать, или любой другой процесс «с рулона на рулон». Электроды суперконденсатора(ов) могут содержать ряд функциональных материалов с высокой площадью поверхности, включая, но не ограничиваясь ими, графен, активированный уголь, углеродные нанотрубки, оксиды металлов, слоистые оксиды, гидроксиды, аэрогели и нанопористые пены. Эти функциональные материалы могут быть смешаны с водной связующей системой, которая может содержать, но не ограничена ими, поливиниловый спирт, поливинилпирролидон, метилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, метилгидроксиэтиловый эфир целлюлозы, гидроксиэтиловый эфир целлюлозы, поли(2-гидроксипропилметакрилат), полиэтиленоксид, полиакриламиды, казеин, полиакриловую кислоту или производные гуаровой камеди, для приготовления отпечатываемых методом трафаретной печати электродных материалов в форме суспензий. Печатные электроды для суперконденсатора(ов) могут быть приготовлены на подложках токоотвода, причем упомянутые подложки токоотвода могут быть металлическими или неметаллическими и обеспечивают физический носитель для печатных электродных материалов.
Металлические подложки токоотвода суперконденсатора(ов) 2 могут содержать любой из медного, алюминиевого, никелевого, титанового, стального, ПИ и серебряного нанопровода с покрытием из ПЭТ/ПЭН/ПИ, или любой другой металлический материал. Неметаллические подложки токоотвода могут представлять собой любой из оксида индия-олова с покрытием из ПЭТ/ПЭН/ПИ, нитрида титана с покрытием ПЭТ/ПЭН/ПИ, поли(3,4-этилендиокситиофен)полистиролсульфоната с покрытием из ПЭТ/ПЭН/ПИ, или любой другой неметаллический материал.
Упомянутые печатные электроды могут быть подвергнуты термообработке с использованием методов нагрева ближним инфракрасным излучением, фотонного нагрева или нагрева в печи. Печатные суперконденсаторы, полученные указанным образом, могут быть собраны с использованием аналогичных или различных электродных материалов для достижения оптимизированных электрохимических характеристик. Электроды суперконденсатора(ов) могут быть либо «симметричными», либо «асимметричными» по природе. Быстродействие суперконденсаторов асимметричного типа повышается за счет комбинирования одного или нескольких типов оксидов и гидроксидов металлов с углеродными материалами таким образом, чтобы от результирующего продукта были получены более высокие значения электрических напряжения и емкости. Например, в асимметричном суперконденсаторе на основе MnO2 - активированного угля один электрод выполнен из MnO2, а другой - активированного угля. В симметричных суперконденсаторах оба электрода являются одинаковыми и изготовлены либо из углерода, либо из оксидов металлов с оптимизированными характеристиками.
Как асимметричные, так и симметричные суперконденсаторы не требуют никаких опасных или агрессивных химикатов в ходе всего процесса изготовления. Эти суперконденсаторы могут включать некую разновидность перезаряжаемого вторичного элемента, при условии, что процесс быстрой зарядки и разрядки не оказывает на них неблагоприятного влияния.
Электрохимические характеристики упомянутых печатных суперконденсаторов, полученных указанным образом, можно регулировать с использованием различных типов систем электролитов. Электролиты для упомянутых печатных суперконденсаторов могут быть приготовлены в водной среде, в сочетании с одной или более добавками для настройки электрохимических свойств, таких как напряжение и емкость.
Примерные процессы изготовления
Примерные процессы изготовления компонентов элемента 1 питания будут описаны ниже. В этой связи «примерные» означает пример процедуры изготовления и не обязательно означает предпочтительный вариант воплощения.
Zn-ионная перезаряжаемая батарея
Приготавливают получаемый трафаретной печатью анод для Zn-ионной перезаряжаемой батареи. Частицы металлического цинка с размером частиц < 10 мкм добавляют к химически модифицированному связующему на основе ПВС при концентрации 90 мас.% и перемешивают в течение всей ночи при 40°C для получения вязкой суспензии с равномерно распределенными частицами Zn. Химически модифицированный ПВС приводит к повышенной адгезии между спеченными частицами и материалами токоотвода. Он также дает однородную дисперсию частиц Zn в системе связующего, с достижением таким образом гладкой отделки поверхности спеченного анода. Вязкую суспензию, содержащую частицы Zn, затем наносят методом трафаретной печати на воздухе на покрытую нитридом титана (TiN) стальную фольгу, с последующей термообработкой с использованием печи ближнего инфракрасного излучения, с получением спеченных анодов из сплавленных частиц Zn.
Получаемый трафаретной печатью катод, изготовленный из α-MnO2, приготавливают путем диспергирования частиц α-MnO2 в химически модифицированном связующем ПВС. Катодную смесь, содержащую α-MnO2 и ПВС, перемешивают в течение всей ночи при 40°C, с получением гомогенной суспензии, которую наносят методом трафаретной печати на воздухе на отдельную покрытую TiN стальную подложку, с последующим удалением избыточного связующего с использованием технологии нагрева ближним инфракрасным излучением.
Элемент Zn-ионной перезаряжаемой батареи собирают на воздухе путем наслаивания друг на друга электродов (анода из Zn и катода из α-MnO2), разделенных тонким материалом сепаратора (толщиной ~20 мкм), пропитанным водным электролитом ZnSO4. Материал сепаратора в этом случае может быть на основе бумаги или CELGARD (TM), в зависимости от характера применения. Наконец, собранный элемент Zn-ионной перезаряжаемой батареи герметизируют с использованием упаковочного пакета из ламинированного алюминия, с последующим прикреплением ультразвуковой сваркой контактов из медной фольги к электродным материалам.
Печатный суперконденсатор
Приготавливают смесь V2O5 и Ni(OH)2 при отношении 1:1 в связующем на водной основе, содержащем химически модифицированный ПВС. Этот состав обрабатывают ультразвуком в течение 5 часов, с последующим перемешиванием при 40°C в течение всей ночи, с получением вязкой пасты (электродной пасты) для печати электродов суперконденсатора. Электродную пасту затем наносят методом трафаретной печати на покрытые TiN стальные подложки и спекают с использованием блока фотонного спекания. Элемент симметричного суперконденсатора собирают путем укладки друг поверх друга двух идентичных электродных пластин, разделенных мембраной CELGARD (TM), покрытой кислотным электролитом в виде геля. Весь элемент затем герметизируют в пластиковый пакет, с последующей ультразвуковой сваркой электрических контактов на выводах электродных пластин.
Конкретные варианты воплощения
Фигура 2A показывает конкретный вариант воплощения элемента 1 питания. Перезаряжаемая батарея 3 представляет собой отпечатанную методом трафаретной печати с рулона на рулон батарею, полностью приспосабливаемую на заказ под любые форму или размер. Матрица 2 суперконденсаторов придает повышенную гибкость устройству, так как зазоры 11 между суперконденсаторами матрицы суперконденсаторов 2 обеспечивают намного больший угол изгиба, чем это было бы возможно, если бы использовался только один суперконденсатор. Работой элемента питания управляет цепь 9 управления, которая содержит сочетание управляющей электроники 5 входного источника электропитания, электроники 6 управления зарядом, электроники 7 управления выходом и электроники 8 управления конденсаторами. Элемент 1 питания содержит соединительные выводы 10 для подключения внешнего устройства. Соединительные выводы 10 также могут включать в себя множество других соединений, которые можно подключать к управляющей электронике цепи 9 управления, для выполнения дополнительных задач, таких как, но не ограничиваясь этим, идентификация устройства.
Фигура 2B показывает вид сбоку варианта воплощения по фигуре 2, демонстрирующий матрицу 2 суперконденсаторов, установленную на одной стороне перезаряжаемой батареи 3, с расположенной между ними цепью 9 управления.
Фигура 3 показывает второй вариант воплощения, аналогичный первому варианту воплощения, за исключением того, что матрица 2 суперконденсаторов предусмотрена на обеих сторонах элемента 1 питания.
Фигура 4 показывает элемент 1 питания, реализованный во вторичном блоке 19 питания, который можно использовать для индуктивной зарядки электронного прибора, такого как телефон. Вторичный блок питания содержит защитный кожух 12, выходное гнездо 13 для выведения заряда на электронный прибор, которое может представлять собой соединительный порт USB или иметь любой другой формат выходного порта, и входное гнездо 14, которое может представлять собой соединительный порт USB или иметь любой другой формат входного порта. Вторичный блок питания дополнительно содержит гнездо 15 устройства быстрой зарядки, управляющую устройством электронику 16, блоки 17 электроники и передачи индуктивного заряда и индикатор 18 уровня заряда.
Фигура 5 показывает вариант реализации элемента 1 питания по фигуре 4, в котором бытовой электронный прибор 20 с зарядной катушкой индуктивности заряжается от вторичного блока 19 питания. В случае, когда бытовой электронный прибор не имеет зарядной катушки индуктивности, бытовой электронный прибор можно подключать к вторичному блоку 19 питания с помощью выходного гнезда 13, как описано применительно к фигуре 4.
Фигуры 6A и 6B показывают виды спереди и сзади элемента 1 питания, реализованного непосредственно в бытовом электронном приборе 20.
Фигура 7 показывает последовательность элементов 1 питания, расположенных в матрице 21 элементов питания, сконструированной для выдачи больших количеств энергии на такие приложения, как автомобильное оборудование и другое крупномасштабное оборудование, которое может иметь аналогичные потребности. Матрицу элементов 1 питания соединяют вместе с образованием банков энергии, которые способны конфигурироваться многими способами, в зависимости от требований применения. Вставные соединители 22 позволяют легко и быстро удалять элементы 1 питания для быстрой замены. Вставные соединители 22 особенно полезны для периодической замены элементов 1 питания, которые были истощены, на полностью заряженные элементы 1 питания. Например, электромобиль с матрицей 21 элементов питания позволяет пользователю удалять истощенные элементы 1 питания и помещать истощенные элементы 1 питания в перезарядный разъем раздаточного устройства, причем раздаточное устройство выдает назад полностью заряженный элемент питания. Пользователь может затем просто вставить сменный элемент 1 питания в подходящий разъем матрицы 21 элементов питания. Аналогичную последовательность действий можно применять, когда пользователь имеет второй комплект элементов 1 питания в зарядном блоке дома или на своем рабочем месте. Зарядку элементов питания также можно осуществлять, когда элементы 1 питания помещены в заполненную матрицу 21 элементов питания.
Матрица 21 элементов питания содержит конфигурируемую панель 23 управления, которая может быть полностью или частично заполнена элементами 1 питания, в зависимости от требований применения. Используя опцию смарт-программирования, можно подавать команды на панель 23 управления и соответствующую электронику приводить элементы 1 питания в конфигурацию, которая выдает надлежащее количество энергии на положительный и отрицательный выводы 25.
Матрица 21 элементов питания дополнительно содержит кожух 24, который защищает элементы 1 питания и соответствующие электронные системы управления, а также обеспечивает среду, которая подходит для оптимизированной работы элементов 1 питания. Предусмотрен шарнир 26, который позволяет сделать верх кожуха открытым для замены элементов 1 питания.
В некоторых вариантах воплощения можно передавать информацию между управляющей электроникой элемента питания и тем прибором, с которым соединена матрица 21 элементов питания. Информацию можно передавать в виде сигнала через положительный и отрицательный выводы 25, или через один или более отдельных выводов данных.
Фигура 8 показывает вариант воплощения элемента питания, реализованного в конструкции типа традиционной батареи, такой как AAA или AA, или другие типы батарей. Этот вариант воплощения содержит суперконденсатор(ы) 2, по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею 3, электронику 6 управления зарядом и электронику 7 управления выходом, а также положительный соединительный вывод 27 и отрицательный соединительный вывод 28.
Фигура 9A показывает вариант воплощения изобретения, содержащий многослойное устройство, в котором реализован элемент 1 питания. Суперконденсатор(ы) 2 и упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея 3 подразделены на тонкие пленки и распределены по большой площади. Многослойное устройство обеспечивает накапливание энергии за счет матрицы фотоэлектрических элементов 29, хранение электроэнергии и вывод электроэнергии, используя элемент 1 питания большой площади, для зарядки и/или запитывания бытовых электронных приборов, а также обширной освещенной поверхности 30 большой площади, которую можно использовать для освещения темных зон или для сигнализации для помощи.
Многослойное устройство содержит матрицу фотоэлектрических элементов 29, которые оптимизированы быть легкими, надежными, водонепроницаемыми и согласованными с электроникой регенерации мощности многослойного устройства. Энергия, полученная из матрицы фотоэлектрических элементов 29, сохраняется в элементе 1 питания большой площади. Элемент 1 питания большой площади проложен между матрицей фотоэлектрических элементов 29 и освещенной поверхностью 30 большой площади. Многослойное устройство может включать в себя съемную соединительную систему, например, но не ограничиваясь им, USB-интерфейс, для зарядки и/или запитывания бытовых электронных приборов. Многослойное устройство может дополнительно включать в себя разъем питания для быстрой зарядки. Матрица фотоэлектрических элементов 29, элемент 1 питания большой площади и освещенная поверхность 30 большой площади могут быть герметизированы вместе внутри водонепроницаемого корпуса.
Фигура 9B показывает вид спереди матрицы фотоэлектрических элементов 29, элемента 1 питания большой площади и освещенной поверхности 30 большой площади многослойного устройства, описанного со ссылкой на фигуру 9A. Матрица фотоэлектрических элементов 29 может быть гибкой и защищенной от повреждения, вызываемого ударами, водой, температурами замерзания и избыточным нагревом. Электрический контакт может быть герметизирован таким образом, чтобы предотвратить коррозию. Элемент 1 питания большой площади может быть выполнен из тонких гибких элементов, изготовленных любым способом, как было ранее описано в данном документе. Каждая секция может быть выполнена из матрицы суперконденсаторов и по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи, соединенных вместе, как было описано ранее. Распределение компонентов аккумулирования энергии такого элемента питания по большой площади может обеспечить равномерно распределенную по устройству массу, а также выполнение устройства более тонким и более гибким. Освещенная поверхность 30 большой площади может быть выполнена из блоков светоизлучающих диодов (СИД), сконфигурированных таким образом, чтобы равномерно распределять свет по поверхности, или из электролюминесцентного материала, нанесенного поверх некоторого числа проводников, или с использованием любой другой разновидности технологии светоизлучения. В варианте воплощения матрица фотоэлектрических элементов 29, элемент 1 питания большой площади и освещенная поверхность 30 большой площади могут быть вместе герметизированы в одном устройстве, которое может быть износостойким и гибким.
Фигура 10 показывает элемент 1 питания, встроенный в одежду 36, такую как, но не ограничиваясь ими, куртка, трикотажная рубашка, футболка, куртка с капюшоном, спортивный костюм или другая подобная одежда. Гибкий и тонкий элемент 1 питания может быть сконструирован так, как было ранее описано в данном документе. Элемент 1 питания может быть расположен на спине одежды 36, проложенным между внешним слоем ткани и внутренним слоем ткани. Элемент 1 питания может быть подключен к программируемому микроконтроллеру 31, который может быть подбит между внутренним и внешним слоями одежды 36. Программируемый микроконтроллер может управлять любыми вводами и/или выводами к и от датчиков 32, заделанных в одежду 36, и передавать данные устройствам визуального и/или звукового вывода, и/или осуществлять запись данных для устройств, которые могут быть встроены в одежду 36 или удаленно подсоединены к одежде 36 с использованием таких способов, как Wi-Fi (в режиме реального времени), Bluetooth (в режиме реального времени), инфракрасных, оптоволоконных, не воспринимаемых человеком аудиосигналов, и/или других способов передачи или приема сигналов.
Датчики 32 могут включать в себя, но не ограничены ими, датчики движения и другие типы датчиков. Датчик движения предназначен для обнаружения движения одежды 36 и отправки соответствующих данных на программируемый микроконтроллер 31. Программируемый микроконтроллер 31 и датчики 32 могут запитываться (снабжаться электроэнергией) от элемента 1 питания. Другие устройства ввода и вывода могут быть также подключены к системе и могут запитываться от элемента 1 питания. Устройства вывода могут включать в себя электролюминесцентный логотип 33, который может представлять собой подсвеченный логотип брэнда на одежде 36, а также видимую помощь для использования в слабоосвещенных средах. Соединения для кардиомонитора 34 могут быть размещены на теле пользователя, носящего одежду 36, затем, при снятии одежды 36, соединения для кардиомонитора 34 можно класть в пакет на внутренней стороне одежды 36. Кардиомонитор 34 может запитываться от элемента 1 питания. Одежда 36 может включать в себя экран 35 дисплея, который может отображать данные от датчиков, а также любую другую информацию, которая может потребоваться. Другие индикаторы, световые индикаторы безопасности, энергоаккумулирующие или штепсельные порты для аксессуаров могут быть встроены в систему, в зависимости от применения одежды 36.
Фигура 11 показывает второй пример одежды 37, в которую может быть встроен элемент 1 питания. Одежда 37 содержит полностью интегрированную спортивную рубашку, которую можно использовать для мониторинга различных действий пользователя в течение длительного периода времени. Это становится возможным благодаря быстрой зарядке и высокой емкости элемента 1 питания, который легок по весу и встроен в одежду 37 сбалансированным, безопасным и удобным образом. Одежда 37 может содержать элемент 1 питания, по меньшей мере один датчик 38 наклона и центра тяжести, программируемый микроконтроллер 31 и множество датчиков 39 движения, используемых для построения графика и подробной записи движения пользователя. Одежда 37 может дополнительно содержать электролюминесцентный логотип 33, который можно использовать для идентификации одежды и обеспечения повышенной видимости. Дополнительно, одежда может содержать внутреннее контрольно-измерительный прибор 40 для мониторинга сердца, температуры и потоотделения, а также дисплей 41 для визуализации продвижения пользователя и/или предоставления видимой помощи в темноте.
Фигура 12 показывает вариант воплощения изобретения, в котором элемент питания встроен в устройство 46 носимых технологий, такое как, но без ограничений, умные часы. Элемент питания может быть встроен в ремешок часов, так что ремешок часов содержит по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею 3 с микроэлементами и суперконденсатор(ы) 2. Устройство носимых технологий может дополнительно содержать площадку 44 для индуктивной зарядки и электронику, которая может иметь отверстие на участке площадки для размещения датчиков, которые могут быть встроены в устройство 46 носимых технологий. Между ремешком и устройством 46 носимых технологий может быть встроена соединительная секция 45. Эта конфигурация сконструирована для обеспечения дополнительного источника питания для продления времени работы устройства 46 носимых технологий при обычном ежедневном использовании. В некоторых случаях конфигурация элемента питания может представлять собой единственный источник питания для устройства 46 носимых технологий.
Фигура 13 показывает устройство 47 носимых технологий, аналогичное тому, которое представлено на фигуре 12, за исключением того, что элемент питания соединен с устройством носимых технологий посредством соединителя, встроенного в само устройство носимых технологий. Этот означает, что может отпасть необходимость в площадке для индуктивной зарядки, а управляющая электроника может быть встроена в устройство носимых технологий.
Фигура 14 показывает вариант воплощения изобретения, в котором элемент 1 питания может быть встроен непосредственно в устройство 48 носимых технологий, с максимизацией функции устройства носимых технологий от одной зарядки. Устройство 48 носимых технологий может содержать защитный, чувствительный к прикосновениям (сенсорный), прозрачный слой 49, который может иметь некую разновидность осязательной и/или тактильной обратной связи, находящуюся на и/или встроенную внутри его конструкции. Устройство носимых технологий может дополнительно содержать защитный и декоративный кожух 50, который может вмещать электронные и механические компоненты устройства 48 носимых технологий. В его состав может быть включено соединение 52 для подсоединения ремешка или любого другого типа крепления, которое может потребоваться. Элемент 1 питания заключен внутри защитного кожуха 53 элемента питания; защитный кожух 53 элемента питания также может содержать любую другую электронику, которая необходима для управления системой, коммуникаций устройство-человек и/или связи устройство-устройство, включая, но не ограничиваясь ею, зарядку.
В состав может быть включен магнитный соединитель 51, который может включать в себя дополнительный механизм для скрепления вместе защитного и декоративного кожуха 50 и защитного кожуха 53 элемента питания. Магнитный соединитель 51 может действовать как средство фиксации двух кожухов вместе и обеспечения средства передачи энергии и данных между двумя секциями устройства 48 носимых технологий.
Устройство 48 носимых технологий может включать в себя традиционный часовой механизм 54 со стрелками, осями привода и другими известными компонентами, предполагаемыми в блоке этого типа, включая блок привода традиционного часового механизма и электронику 55. Устройство 48 носимых технологий может дополнительно содержать электронный дисплей 56 с отверстием в центре для размещения традиционного часового механизма. Устройство 48 носимых технологий может включать в себя электронику для функций 57 умных часов, известных в данной области техники. Устройство 48 носимых технологий может дополнительно содержать сменный первичный элемент 58 питания для традиционного часового механизма, а также матрицу датчиков и электронику 59. Отдельный сменный первичный элемент 58 питания и элемент 1 питания могут обеспечивать такую компоновку, что функция времени будет работать независимо от функций умных часов устройства носимых технологий, вследствие чего даже если элемент 1 питания функций умных часов будет истощен, традиционная система 54 измерения времени все еще сможет работать, как было задумано.
Электронный дисплей 55 может обеспечить возможность отображать любую из многих поверхностей позади стрелок традиционных наручных часов, включая информацию, которая не относится к измерению времени. Если обладающие большим энергопотреблением функции умных часов не используются, устройство 48 носимых технологий может продолжать функционировать как часы в течение многих месяцев, что дает упомянутому устройству преимущество перед другими такими устройствами, не обладающими такой способностью.
Фигура 15 показывает устройство носимых технологий, как описано со ссылкой на фигуру 14, в котором верхняя секция 60 устройства носимых технологий является отдельной от нижней секции 61 устройства носимых технологий. Верхняя секция 60 может содержать традиционные часы 54, блок привода и электронику 55, электронный дисплей 56, электронику 57 для функций умных часов, сменный первичный элемент 58 питания и матрицу датчиков с электроникой 59. Нижняя секция 61 может содержать элемент 1 питания и дополнительную матрицу датчиков. Поскольку верхняя секция 60 устройства носимых технологий обладает своим собственным первичным элементом 58 питания, становится возможным снимать верхнюю секцию 60 с нижней секции 61, содержащей элемент 1 питания, так чтобы другой полностью заряженный элемент 1 питания можно было прикрепить к устройству 48 носимых технологий, а элемент 1 питания с истощенным зарядом можно было поместить на зарядный блок для быстрой зарядки.
Многие различные верхние секции 60 можно использовать с многими различными нижними секциями 61, так что устройство носимых технологий может быть модульным. Это позволяет заменять верхнюю секцию 60, когда доступны новые обновления (модернизации), при сохранении той же самой нижней секции 61. При других сценариях может стать доступной новая нижняя секция 61, например, содержащая элемент 1 питания с повышенной емкостью, или нижняя секция 61 с дополнительными датчиками, что позволяет заменять только нижнюю секцию 61.
Альтернативные варианты воплощения
При прочтении вышеприведенного раскрытия могут быть придуманы альтернативные варианты воплощения, которые, тем не менее, могут находиться в пределах объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.
1. Способ изготовления перезаряжаемого устройства питания, содержащий:
формирование одного или более суперконденсаторов путем печати;
формирование по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи путем печати; и
подключение суперконденсатора(ов) к упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее посредством управляющей электроники, при этом управляющая электроника содержит:
электронику управления входным питанием, выполненную с возможностью регулирования количества энергии, подаваемой на суперконденсатор(ы), и
электронику управления зарядом, выполненную с возможностью направления заряда от суперконденсатора(ов) непосредственно к электронике управления выходом или направления заряда от суперконденсатора(ов) к упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее;
при этом упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея выполнена с возможностью направления заряда к электронике управления выходом,
при этом управляющая электроника выполнена с возможностью подачи питания на внешнее устройство либо от суперконденсатора(ов), либо от упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи.
2. Способ по п. 1, в котором множество упомянутых суперконденсаторов располагают в практически плоской матрице так, что имеются физические промежутки между каждым суперконденсатором матрицы суперконденсаторов.
3. Способ по п. 2, в котором множество суперконденсаторов печатают с использованием по меньшей мере одной из трафаретной печати, струйной печати, флексографической печати, ротаторной печати и ротационной глубокой печати.
4. Способ по любому из пп. 1-3, при этом суперконденсатор(ы) содержат электроды, содержащие функциональные материалы с высокой площадью поверхности.
5. Способ по п. 4, при этом функциональные материалы с высокой площадью поверхности включают в себя по меньшей мере одно из графена, активированного угля, углеродных нанотрубок, оксида металла, слоистого оксида, гидроксида, аэрогеля и нанопористой пены.
6. Способ по любому предыдущему пункту, при этом суперконденсатор(ы) содержат металлические или неметаллические подложки токоотвода.
7. Способ по п. 6, при этом металлические подложки токоотвода содержат по меньшей мере один из медного, алюминиевого, никелевого, титанового, стального и серебряного нанопровода, покрытого ПЭТ/ПЭН/ПИ.
8. Способ по п. 6 или 7, при этом неметаллические подложки токоотвода содержат по меньшей мере один из оксида индия-олова, покрытого ПЭТ/ПЭН/ПИ, нитрида титана, покрытого ПЭТ/ПЭН/ПИ, и поли(3,4-этилендиокситиофен)полистиролсульфоната, покрытого ПЭТ/ПЭН/ПИ.
9. Способ по любому из пп. 6-8, в котором электроды формируют смешиванием функциональных материалов с высокой площадью поверхности с водной связующей системой с образованием суспензии и печатанием этой суспензии на металлических или неметаллических подложках токоотвода с образованием печатных электродов.
10. Способ по п. 9, при этом водная связующая система содержит по меньшей мере одно из поливинилового спирта, поливинилпирролидона, метилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, метилгидроксиэтилового эфира целлюлозы, гидроксиэтилового эфира целлюлозы, поли(2-гидроксипропилметакрилата), полиэтиленоксида, полиакриламидов, казеина, полиакриловой кислоты и производных гуаровой камеди.
11. Способ по п. 9 или 10, в котором печатные электроды подвергают термообработке с использованием по меньшей мере одного из методов нагрева ближним инфракрасным излучением, методов фотонного нагрева и методов нагрева в печи.
12. Способ по любому предыдущему пункту, при этом суперконденсатор(ы) содержат электролит.
13. Способ по п. 12, при этом электролит составлен в водной среде.
14. Способ по любому предыдущему пункту, при этом суперконденсатор(ы) работают как перезаряжаемый вторичный элемент.
15. Способ по любому предыдущему пункту, в котором упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея выполнена на основе по меньшей мере одной из Ni-ионной, Zn-ионной или Al-ионной химических систем.
16. Способ по любому предыдущему пункту, в котором упомянутую по меньшей мере одну перезаряжаемую батарею печатают с использованием по меньшей мере одной из трафаретной печати, струйной печати, флексографической печати, ротаторной печати и ротационной глубокой печати.
17. Способ по любому предыдущему пункту, при этом упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея содержит металлические или неметаллические подложки токоотвода.
18. Способ по п. 17, при этом подложки токоотвода являются гибкими или полугибкими.
19. Способ по п. 17, при этом подложки токоотвода являются жесткими.
20. Способ по любому из пп. 17-19, при этом перезаряжаемая батарея содержит анод и катод и при этом материал токоотвода является одинаковым для анода и катода.
21. Способ по любому из пп. 17-19, при этом перезаряжаемая батарея содержит анод и катод и при этом материал токоотвода является различным для анода и катода.
22. Способ по п. 20 или 21, при этом анод и катод составлены из суспензий, отпечатанных на соответствующие подложки токоотвода.
23. Способ по п. 22, при этом суспензии содержат водную связующую систему.
24. Способ по п. 23, при этом водная связующая система содержит по меньшей мере одно из поливинилового спирта, поливинилпирролидона, метилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, метилгидроксиэтилового эфира целлюлозы, гидроксиэтилового эфира целлюлозы, поли(2-гидроксипропилметакрилата), полиэтиленоксида, полиакриламидов, казеина, полиакриловой кислоты и гуаровой камеди.
25. Способ по любому из пп. 20-24, в котором анод и катод приготавливают путем трафаретной печати суспензий на подложки токоотвода в воздушной среде.
26. Способ по п. 25, в котором анод печатают из суспензии, содержащей водную связующую систему и по меньшей мере один из Ni, Zn или Al.
27. Способ по п. 25 или 26, в котором катод печатают из суспензии, содержащей водную связующую систему и по меньшей мере одно из α-MnO2, λ-MnO2, TiO2, тодоркита, гексацианоферрата цинка, гексацианоферрата меди, шпинели Mn2O4, гексацианоферрата никеля, V2O5, аэрогелей, графита, графена, углеродных нанотрубок, кислородсодержащих перовскитных соединений, глин и талька.
28. Способ по любому из пп. 20-27, при этом анод содержит по меньшей мере один из Ni, Zn или Al.
29. Способ по любому из пп. 20-28, при этом катод содержит слоистый материал.
30. Способ по п. 29, при этом слоистый материал содержит по меньшей мере один из α-MnO2, λ-MnO2, TiO2, тодоркита, гексацианоферрата цинка, гексацианоферрата меди, шпинели Mn2O4, гексацианоферрата никеля, V2O5, аэрогеля, графита, графена, углеродных нанотрубок, кислородсодержащих перовскитных соединений, глины и талька.
31. Способ по любому из пп. 20-30, в котором анод и катод подвергают термообработке с использованием любого из конвекционной печи, методов термообработки со спеканием ближним инфракрасным излучением или с фотонным спеканием.
32. Способ по любому предыдущему пункту, при этом перезаряжаемая батарея включает в себя водный, невоспламеняющийся электролит.
33. Способ по п. 32, при этом электролит содержит одну или более солей Ni, Zn или Al.
34. Способ по п. 33, при этом электролит содержит любой из NiSO4, ZnSO4, AlCl3 или Al2(SO4)3.
35. Способ по любому предыдущему пункту, в котором перезаряжаемое устройство питания изготавливают с использованием процессов типа с рулона на рулон или периодического производства.
36. Способ по любому предыдущему пункту, в котором перезаряжаемое устройство питания выполнено с возможностью:
быстрой зарядки суперконденсатора(ов) от внешнего источника электропитания; и
более медленной зарядки от множества суперконденсаторов упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи.
37. Способ по любому предыдущему пункту, в котором перезаряжаемое устройство питания выполнено с возможностью:
быстрой зарядки суперконденсатора(ов); и
одновременной зарядки упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батареи;
причем суперконденсатор(ы) и упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея заряжаются от внешнего источника электропитания.
38. Способ по любому предыдущему пункту, в котором перезаряжаемое устройство питания выполнено с возможностью запитывания или перезарядки внешнего электронного прибора непосредственно от заряда, сохраненного в суперконденсаторе(ах).
39. Способ по любому предыдущему пункту, в котором перезаряжаемое устройство питания выполнено с возможностью запитывания или перезарядки внешнего электронного прибора от заряда, сохраненного в упомянутой по меньшей мере одной перезаряжаемой батарее.
40. Способ по любому предыдущему пункту, в котором перезаряжаемое устройство питания выполнено так, что упомянутая по меньшей мере одна перезаряжаемая батарея способна подавать заряд на множество суперконденсаторов.
41. Способ по любому предыдущему пункту, при этом перезаряжаемое устройство питания встраивается во вторичный блок питания для индуктивной зарядки электронного прибора.
42. Способ по любому предыдущему пункту, при этом перезаряжаемое устройство питания встраивается в бытовой электронный прибор.
43. Способ по любому предыдущему пункту, в котором изготавливают матрицу из упомянутых перезаряжаемых устройств питания, выполненную с возможностью выдачи большого количества энергии на внешнее оборудование.
44. Способ по п. 43, при этом каждое упомянутое перезаряжаемое устройство питания содержит вставной соединитель для соединения с матрицей.
45. Способ по п. 43 или 44, при этом перезаряжаемое устройство питания включает в себя панель управления, выполненную с возможностью конфигурирования устройств для выдачи требуемого количества энергии.
46. Способ по любому предыдущему пункту, при этом перезаряжаемое устройство питания включается в состав предмета одежды.
47. Способ по п. 46, при этом перезаряжаемое устройство питания прокладывается между внутренним и внешним слоями ткани предмета одежды.
48. Способ по п. 46 или 47, при этом предмет одежды включает в себя один или более датчиков, запитываемых перезаряжаемым устройством питания.
49. Способ по любому из пп. 46-48, при этом предмет одежды включает в себя дисплей, запитываемый перезаряжаемым устройством питания.
50. Способ по любому из пп. 1-45, при этом перезаряжаемое устройство питания включается в состав устройства носимых технологий.
51. Способ по п. 50, при этом перезаряжаемое устройство питания встраивается в ремешок устройства носимых технологий.
52. Способ по п. 50 или 51, при этом перезаряжаемое устройство питания является отсоединяемым от устройства носимых технологий.
53. Способ по любому из пп. 1-45, при этом перезаряжаемое устройство питания включается в состав многослойного устройства.
54. Способ по п. 53, при этом многослойное устройство включает в себя плоское светоизлучающее устройство.
55. Способ по п. 53 или 54, при этом многослойное устройство включает в себя плоскую матрицу фотоэлектрических элементов.
