生物相容性線電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了可在任何數(shù)量的植入式或非植入式醫(yī)療裝置中用作電源的單股或多股絞合線組件形式的可充電電化學(xué)電池。由于所述線形式電池可縮小到微尺寸，所以它可以用于為傳統(tǒng)上無源的裝置供電，但它可以用有源元件來加強(qiáng)。所述線形式電池可以切割為適合特定應(yīng)用的尺寸，這種應(yīng)用可提供相同的開路電壓而不管所述導(dǎo)線最終如何構(gòu)造以及所使用的導(dǎo)線的長(zhǎng)度。雖然所述電池呈線形式，但是所述電池內(nèi)的元件的各種排列方式也是可以的。
【專利說明】生物相容性線電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及可充電電化學(xué)電池，更具體地講是涉及生物相容性可充電電化學(xué)電池，所述電池被配置成用于給待植入活體中或位于活體近側(cè)的裝置以及需要非傳統(tǒng)電池形式的任何其他裝置供電的導(dǎo)線。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，植入式醫(yī)療裝置的數(shù)量顯著增加。例如，在過去的十年間，支架、藥物洗脫支架、起搏器、去纖顫器、心室輔助裝置、葡萄糖輸液泵和神經(jīng)刺激器的使用增加了許多倍。上述列舉的例子中的一些以及許多其他植入式和/或非植入式醫(yī)療裝置均為有源裝置，并且需要電源來進(jìn)行操作。與植入式或非植入式醫(yī)療裝置結(jié)合使用的電源或電池通常具有加于其上的與物理尺寸和性能有關(guān)的嚴(yán)格規(guī)范。設(shè)計(jì)用于植入式醫(yī)療裝置的老一代電池是具有相對(duì)短的使用壽命的較大裝置。然而，隨著用于各式各樣的應(yīng)用(例如藥物遞送、血糖感應(yīng)與監(jiān)測(cè)、和神經(jīng)刺激)的微型植入式醫(yī)療裝置的出現(xiàn)，便要求電池能夠提供有效功率并且占據(jù)更小的體積。除了尺寸小之外，待植入的電池的特性還優(yōu)選地包括較長(zhǎng)的使用壽命、可忽略的自放電率、長(zhǎng)時(shí)間的高可靠性、和與患者體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的相容性，換句話講，該電池應(yīng)當(dāng)盡可能具有生物相容性?？墒褂蒙锵嗳菪酝繉雍?或密封劑以滿足此需求。
[0003]某些電池化學(xué)物質(zhì)(例如鋰化學(xué)物質(zhì))要求氣密地密封電池；然而，氣密密封包裝可使非標(biāo)準(zhǔn)的外形因素難以實(shí)現(xiàn)。因此，可使用不同的化學(xué)物質(zhì)以消除氣密密封的需要。
[0004]以上簡(jiǎn)述的裝置視為包括所述更傳統(tǒng)的通電或耗電植入式裝置中的一些。最近，理論上認(rèn)為，可將有源元件或需要能量的元件結(jié)合到傳統(tǒng)無源裝置中。例如，接觸鏡片通過將折射性質(zhì)結(jié)合到鏡片中而提供視力矯正功能性。此外，還可將色素沉著變化性質(zhì)結(jié)合到接觸鏡片中以提供美容增強(qiáng)作用，并且可將試劑和/或藥物結(jié)合到接觸鏡片中以提供治療功能性。這些特性在無源的條件下或者在接觸鏡片沒有通電的條件下實(shí)現(xiàn)。在無源模式下工作的另一種裝置是淚點(diǎn)塞，這種淚點(diǎn)塞用于通過減慢淚液穿過淚點(diǎn)的移除來治療干眼癥。然而如上文所述，理論上認(rèn)為，可將有源元件結(jié)合到傳統(tǒng)無源裝置中，例如接觸鏡片和/或淚點(diǎn)塞。例如，接觸鏡片的有源元件可能能夠改變鏡片的屈光力。此外，淚點(diǎn)塞還可具有用于分散治療劑的微米級(jí)大小的泵。如本文所用，淚點(diǎn)塞是指大小和形狀適于穿過下淚點(diǎn)或上淚點(diǎn)分別插入眼睛的下淚小管或上淚小管的裝置。
[0005]因此，需要符合這些裝置的大小和形狀要求以及這些新有源元件的能量要求的電池來供電。這些微型或微米級(jí)電池應(yīng)提供有效的功率輸出、能夠以合格的速率充電、具有有效的生命周期、能夠在深度放電形式下工作較長(zhǎng)的時(shí)間并且基本上防止電解質(zhì)滲漏的危險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的生物相容性可充電電化學(xué)電池克服了與目前使用的電池有關(guān)的多種不足，該電池用于植入式和/或非植入式醫(yī)療裝置以及非醫(yī)療裝置。[0007]根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明涉及電化學(xué)蓄電池組電池。電化學(xué)蓄電池組電池包括陽極集電器、陽極層、隔離件層、陰極層、陰極集電器、和電解質(zhì)，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述陽極層形成于并且設(shè)置在陽極集電器的至少一部分周圍，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在陽極層的至少一些部分周圍，所述陰極層形成于并且設(shè)置在隔離件層的至少一部分周圍，所述隔離件層被配置成防止陽極層與陰極層之間的電接觸，所述陰極集電器形成于并且設(shè)置在陰極層的至少一部分周圍，所述電解質(zhì)在陽極層與陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
[0008]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及電化學(xué)蓄電池組電池。電化學(xué)蓄電池組電池包括至少一個(gè)陽極集電器、至少一個(gè)陰極集電器、陽極層、陰極層、隔離件層、和電解質(zhì)，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述至少一個(gè)陰極集電器設(shè)置在至少一個(gè)陽極集電器附近并且相隔預(yù)定的距離，其中至少一個(gè)陽極集電器和至少一個(gè)陰極集電器中的每一個(gè)被配置成成對(duì)的，所述陽極層形成于并且設(shè)置在至少一個(gè)陽極集電器的至少一部分周圍，所述陰極層形成于并且設(shè)置在至少一個(gè)陰極集電器的至少一部分周圍，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在陽極層和陰極層兩者的一些部分周圍，所述隔離件層被配置成防止陽極層與陰極層之間的電接觸，所述電解質(zhì)在陽極層與陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
[0009]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及電化學(xué)蓄電池組電池。電化學(xué)蓄電池組電池包括陰極集電器、陰極層、隔離件層、陽極層、陽極集電器、和電解質(zhì)，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述陰極層形成于并且設(shè)置在陰極集電器的至少一部分周圍，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在陰極層的至少一些部分周圍，所述陽極層形成于并且設(shè)置在隔離件層的至少一部分周圍，所述隔離件層被配置成防止陰極層與陽極層之間的電接觸，所述陽極集電器形成于并且設(shè)置在陽極層的至少一部分周圍，所述電解質(zhì)在陰極層與陽極層之間建立離子導(dǎo)電性，。
[0010]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包括電化學(xué)蓄電池組電池的裝置。該裝置包括電力驅(qū)動(dòng)元件和線形式電化學(xué)蓄電池組電池，所述電力驅(qū)動(dòng)元件具有至少一組正電觸頭和負(fù)電觸頭,所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池結(jié)合到電力驅(qū)動(dòng)元件中或結(jié)合到電力驅(qū)動(dòng)元件上，所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池具有互連到至少一組正電觸頭和負(fù)電觸頭的陽極集電器和陰極集電器，從而形成完整的電路。
[0011]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及潛在性的電化學(xué)蓄電池組電池。潛在性的電化學(xué)蓄電池組電池包括陽極集電器、陽極層、隔離件層、陰極層、陰極集電器、和電解質(zhì)，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述陽極層形成于并且設(shè)置在陽極集電器的至少一部分周圍，所述陽極層由前體還原材料形成，所述前體還原材料可轉(zhuǎn)化為還原材料，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在陽極層的至少一些部分周圍，所述陰極層形成于并且設(shè)置在隔離件層的至少一部分周圍，所述陰極層由前體氧化材料形成，所述前體氧化材料可轉(zhuǎn)化為氧化材料，其中隔離件層被配置成防止陽極層與陰極層之間的電接觸，所述陰極集電器形成于并且設(shè)置在陰極層的至少一部分周圍，所述電解質(zhì)在陽極層與陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
[0012]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及潛在性的電化學(xué)蓄電池組電池。潛在性的電化學(xué)蓄電池組電池包括陰極集電器、陰極層、隔離件層、陽極層、陽極集電器、和電解質(zhì)，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述陰極層形成于并且設(shè)置在陰極集電器的至少一部分周圍，所述陰極層由前體氧化材料形成，所述前體氧化材料可轉(zhuǎn)化為氧化材料，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在陰極層的至少一些部分周圍，ah所述陽極層#成于并且設(shè)置在隔離件層的至少一部分周圍，所述陽極層由前體還原材+I形成，所述前體還原材料可轉(zhuǎn)化為還原材料，其中隔離件層被配置成防止陰極層與陽極層之間的電接觸,a/2所述陽極集電器0成于并且設(shè)置在外層的至少一部分周圍，所述電解質(zhì)在陰極層與陽極層之間建立離子導(dǎo)電性。
[0013]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及電化學(xué)蓄電池組電池。電化學(xué)蓄電池組電池包括至少一個(gè)陽極集電器、至少一個(gè)陰極集電器、陽極層、陰極層、隔離件層、和電解質(zhì)，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述至少一個(gè)陰極集電器設(shè)置在至少一個(gè)陽極集電器附近并且相隔預(yù)定的距離，其中至少一個(gè)陽極集電器和至少一個(gè)陰極集電器中的每一個(gè)被配置成成對(duì)的，所述陽極層形成于并且設(shè)置在至少一個(gè)陽極集電器的至少一部分周圍，所述陽極層由前體還原材料形成，所述前體還原材料可轉(zhuǎn)化為還原材料，所述陰極層形成于并且設(shè)置在至少一個(gè)陰極集電器的至少一部分周圍，所述陰極層由前體氧化材料形成，所述前體氧化材料可轉(zhuǎn)化為氧化材料，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在陽極層和陰極層兩者的至少一些部分周圍，所述隔離件層被配置成防止陽極層與陰極層之間的電接觸，所述電解質(zhì)在陽極層與陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
[0014]根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及用于形成與裝置一起使用的電化學(xué)電池的方法。用于形成與裝置一起使用的電化學(xué)電池的方法包括:從線形式電化學(xué)蓄電池組電池供給中取出一定長(zhǎng)度的線形式電化學(xué)蓄電池組電池，所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池包括陽極集電器和陰極集電器；從線形式電化學(xué)蓄電池組電池供給中分離出預(yù)定長(zhǎng)度的線形式電化學(xué)蓄電池組電池；提供陽極集電器和陰極集電器兩者的一部分用來與待供電的裝置電接觸；以及將線形式電化學(xué)蓄電池組電池配置成預(yù)定的形狀以與待供電的裝置一起使用。
[0015]本發(fā)明的生物相容性可充電電化學(xué)電池是呈線形的。線電池設(shè)計(jì)用于活體體內(nèi)或活體近側(cè)，其為微米級(jí)的、易于使用的、柔性的且成本低廉的可充電電化學(xué)電池，該電池為任何數(shù)量的身體應(yīng)用提供可靠、穩(wěn)定的功率。本發(fā)明的生物相容性可充電電化學(xué)電池還可用于需要非傳統(tǒng)外形因素和微米級(jí)尺寸的任何數(shù)量的其他合適的應(yīng)用中，例如智能信用卡或有源RFID標(biāo)簽。該電池可以切割為適合特定應(yīng)用的尺寸，同時(shí)提供相同的開路電壓而不管導(dǎo)線最終如何構(gòu)造以及所使用的導(dǎo)線的長(zhǎng)度。此外，對(duì)于給定的電池切割長(zhǎng)度，可以指定各種橫截面尺寸，其中各種性能屬性可以匹配于給定的應(yīng)用，例如以實(shí)現(xiàn)更高的容量。
[0016]常規(guī)的電池具有較低的長(zhǎng)度直徑比，通常稱為縱橫比(如，AA電池的縱橫比為大約
3.7，并且AAA電池的縱橫比為大約4.7)，然而本發(fā)明的線形式電池可具有非常大的長(zhǎng)度直徑比，為大約顯著大于十比一。重要的是認(rèn)識(shí)到縱橫比是相對(duì)的。在外形因素是裝置設(shè)計(jì)約束的情況下，這可能是特別有利的。例如，本發(fā)明的線形式電池可用于為寬泛范圍的裝置供電以引入治療劑或促進(jìn)愈合，所述寬泛范圍的裝置包括具有有源元件的接觸鏡片、具有有源元件的淚點(diǎn)塞、具有有源元件的眼內(nèi)鏡片、或具有有源元件的支架。在這些應(yīng)用的某一些中，由于裝置的尺寸約束，導(dǎo)線必須被切短；因此，縱橫比可減小。
[0017]常規(guī)的堿性電池具有線殼構(gòu)造(例如AA型“罐”)或頂部和底部構(gòu)造(例如紐扣電池)。其他“罐”電池使用卷起層合物的“凝膠卷”構(gòu)造以增加可用于電化學(xué)反應(yīng)的材料的表面積。本發(fā)明的線形式電池能夠?qū)崿F(xiàn)高于任一常規(guī)構(gòu)造的(隔離件)表面積與(活性物質(zhì))體積之比。這可以提供高性能放電率和充電率能力而不管電池的固有小尺寸。在常規(guī)的電池中，容量由標(biāo)準(zhǔn)電池尺寸指定，然而就線電池而言，容量指定為線性能量密度，即微安培小時(shí)/分鐘。
[0018]常規(guī)的電池是卷曲到密閉容器中的金屬罐，該密閉容器具有聚合物排氣孔以允許進(jìn)行一些放氣。就可充電堿性化學(xué)物質(zhì)而言，常規(guī)的電池可能需要某些氣體復(fù)合催化劑以防止金屬罐的破裂。此外，一些常規(guī)的可充電堿性電池需要特殊的電池級(jí)鋅合金，該鋅合金既是高純度的、又能降低與鋅和水的副反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的速率，而氫氣可導(dǎo)致罐的泄漏或破裂。在最近的環(huán)境法規(guī)頒布之前，所使用的是汞而不是電池級(jí)鋅合金。本發(fā)明的線形式電池沒有罐型包裝，并且基本上向環(huán)境開放以獲得透濕性和透氣性這兩者。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下文是附圖所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的更為具體的說明，通過這些說明，本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
[0020]圖1為根據(jù)本發(fā)明的示例性生物相容性單線電池的局部橫截面剖視圖。
[0021]圖2為根據(jù)本發(fā)明的使用生物相容性單線電池的簡(jiǎn)化電路的示意圖。
[0022]圖3為根據(jù)本發(fā)明的可供選擇的示例性生物相容性雙線電池的局部橫截面剖視圖。
[0023]圖4為根據(jù)本發(fā)明以并聯(lián)構(gòu)型使用示例性生物相容性雙線電池的簡(jiǎn)化電路的示意圖。
[0024]圖5為根據(jù)本發(fā)明以反并聯(lián)構(gòu)型使用示例性生物相容性雙線電池的簡(jiǎn)化電路的示意圖。
[0025]圖6是根據(jù)本發(fā)明以并聯(lián)構(gòu)型與相鄰電池串聯(lián)使用示例性生物相容性多線電池的簡(jiǎn)化電路的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]電池、蓄電池組電池是如下裝置，其中包含在構(gòu)成電池的活性物質(zhì)中的化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能。這些電池、蓄電池組電池可大體分類為一次電池或二次電池，一次電池預(yù)期并優(yōu)化用于僅僅一個(gè)放電周期，是不可充電的，而二次電池經(jīng)氧化還原反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)可再充電。一次電池提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括良好的儲(chǔ)存壽命、在低到中等放電率時(shí)的高能量密度、低維護(hù)性、和易用性。二次電池也提供了許多優(yōu)點(diǎn)，除了其再充電的能力外還包括高功率密度、高放電率、平坦的放電曲線、和良好的低溫性能。二次電池的電荷保持能力通常低于一次電池；然而，該缺陷由二次電池是可再充電的事實(shí)而彌補(bǔ)。為了便于解釋，術(shù)語“電池”應(yīng)在本文中用于指包括一個(gè)電化學(xué)電池或根據(jù)所需的輸出電壓和容量而并聯(lián)或串聯(lián)的多個(gè)電化學(xué)電池的裝置。
[0027]第三種類型的電池為備用電池。在這種類型的電池中，電池的區(qū)段在其激活之前與其他元件分離。由于在激活之前沒有化學(xué)反應(yīng)，所以這種類型的電池能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存。
[0028]蓄電池組電池包括三個(gè)主要元件；即，陽極(負(fù)極)、陰極(正極)和電解質(zhì)(離子導(dǎo)體)。陽極是燃料電極，其將電子交給外部電路或負(fù)載，并且在電化學(xué)反應(yīng)過程中被氧化。陽極材料優(yōu)選地具有作為還原劑的高效率、高庫(kù)侖輸出(Ah/g)、良好的導(dǎo)電性、良好的穩(wěn)定性、易于使用和成本低廉的性質(zhì)。如果電池要用于體內(nèi)，則陽極材料優(yōu)選地制成其所能達(dá)到的生物相容性的程度、或者避免其與身體直接接觸。陰極是氧化電極，其接受來自外部電路或負(fù)載的電子，并且在電化學(xué)反應(yīng)過程中被還原。陰極材料優(yōu)選地具有作為氧化劑的高效率，當(dāng)接觸電解質(zhì)時(shí)是穩(wěn)定的，并且具有有效的工作電壓。如果電池要用于體內(nèi)，則陰極材料要像陽極材料一樣，優(yōu)選地制成其所能達(dá)到的生物相容性的程度、或者避免其與身體直接接觸。電解質(zhì)是提供用于在陽極與陰極之間的電池內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的介質(zhì)(如離子)的材料。電解質(zhì)材料優(yōu)選地具有良好的離子導(dǎo)電性而不是電子導(dǎo)電性、具有電化學(xué)穩(wěn)定性、不與電極材料發(fā)生反應(yīng)、幾乎不隨溫度的變化而變化、可以安全使用、和成本低廉的性質(zhì)。典型的電解質(zhì)為水溶液或聚合物凝膠，但是其還可包括其他材料和形式，例如固體聚合物電解質(zhì)。同樣，如果電池要用于體內(nèi)，則電解質(zhì)應(yīng)盡可能為生物相容性的、或者避免其與身體直接接觸。
[0029]電池可以與其最終用途相容的任何合適的尺寸、形狀和/或構(gòu)型制成。將陽極和陰極在電池內(nèi)電隔離以防止短路，但是其至少部分地被電解質(zhì)潤(rùn)濕。因此，用可滲透電解質(zhì)的隔離件來物理分隔陽極和陰極。基本上，電池元件被設(shè)計(jì)和構(gòu)造成適應(yīng)特定的電池形狀?？蓪㈦姵孛芊庖苑乐购?或控制滲漏，并且電池還可包括排氣孔以允許累積的氣體逸出。通常需要用于端子連接的合適裝置使電池完整。
[0030]電池在放電模式下的操作如下所述進(jìn)行。當(dāng)電池連接至外部電路或負(fù)載時(shí)，電子從被氧化的陽極流出，經(jīng)外部電路或負(fù)載，到達(dá)接受電子并且被還原的陰極。電路的完成發(fā)生在電解質(zhì)中，其中陰離子或帶負(fù)電的離子從陰極流到陽極，并且陽離子或帶正電的離子從陽極流到陰極。電池在充電模式下的操作如下所述進(jìn)行。將電源跨接到電極來代替外部電路，并且電子流入陽極中，該陽極現(xiàn)在是反應(yīng)的陰極?；旧希摲磻?yīng)被逆轉(zhuǎn)，其中陽極變?yōu)殛帢O，陰極變?yōu)殛枠O，并且陰離子和陽離子的流動(dòng)被逆轉(zhuǎn)。需要特別注意的是，多種充電方案是可用的，例如恒定電壓、恒定電流然后恒定電壓、脈沖充電等等。在放電模式和充電模式兩者中的反應(yīng)可以用簡(jiǎn)單的術(shù)語表達(dá)為“標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)氧化還原反應(yīng)”，其取決于包括陽極和陰極的材料。通過使用用于電極的不同材料可以實(shí)現(xiàn)不同的電壓和容量，如隨后詳細(xì)解釋。
[0031]陽極和陰極材料的選擇決定了電池的理論電壓和容量?？捎苫瘜W(xué)電池提供的最大能量由所使用的活性物質(zhì)類型和所使用的活性物質(zhì)的量決定。實(shí)際情況是，僅實(shí)現(xiàn)了電池的理論能量的一部分，并且由于許多因素(包括不反應(yīng)組分的重量和體積)，造成電池在理論電壓下不放電的事實(shí)，從而降低了平均電壓；以及造成電池不能完全放電至零伏特的事實(shí)，從而減少了遞送的安培小時(shí)數(shù)。此外，在實(shí)際的電池中，活性物質(zhì)不是化學(xué)計(jì)量平衡的，從而降低了能量，這是因?yàn)檫^量的僅活性物質(zhì)之一用于化學(xué)反應(yīng)中。
[0032]根據(jù)示例性實(shí)施例，本發(fā)明涉及非常規(guī)的電池。更具體地講，本文公開了示例性生物相容性線電池。示例性生物相容性線電池設(shè)計(jì)用于活體體內(nèi)或活體近側(cè)，并且優(yōu)選地為微型的、易于使用的、成本低廉的、柔性的可充電電化學(xué)電池，該電池為任何數(shù)量的身體應(yīng)用以及非身體應(yīng)用提供可靠、穩(wěn)定的功率。雖然本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實(shí)施例相對(duì)于可植入裝置在本文中有所描述，但是線電池還可以用于任何數(shù)量的應(yīng)用。另外，在線形式中，該電池可以切割為適合特定應(yīng)用的尺寸，同時(shí)提供相同的輸出特性而不管導(dǎo)線最終如何構(gòu)造以及所使用的導(dǎo)線的長(zhǎng)度。與具有低縱橫比(長(zhǎng)度比直徑)的常規(guī)的電池相比，線形式電池可具有高的縱橫比，例如顯著大于10:1。在某些應(yīng)用中，線電池可能必須被切短。換句話講，為了符合任何指定應(yīng)用的幾何要求，可以減小縱橫比。在外形因素是所需的設(shè)計(jì)屬性的情況下，這可能是特別有利的。例如，本發(fā)明的線形式電池可以結(jié)合任何數(shù)量的需要電力的醫(yī)療裝置來使用，例如智能接觸鏡片、智能淚點(diǎn)塞和智能眼內(nèi)鏡片。
[0033]本發(fā)明的生物相容性線電池可包括許多設(shè)計(jì)變型。例如，在一個(gè)示例性實(shí)施例中，生物相容性線電池可包括其中陽極被陰極包圍的構(gòu)型。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，生物相容性線電池可包括其中陰極被陽極包圍的構(gòu)型。其他示例性實(shí)施例可包括上述設(shè)計(jì)的變型形式，并且隨后將詳細(xì)描述。例如，生物相容性線電池可包括具有一個(gè)或多個(gè)陽極/陰極對(duì)的構(gòu)型。此外，可以將多種合適的材料用于電池的所有元件，如本文將詳細(xì)描述。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性生物相容性線電池100的局部橫截面剖視圖。
[0034]在圖1所示的示例性實(shí)施例中，線電池的芯包括陽極集電器102。根據(jù)電池100的使用或應(yīng)用，陽極集電器102可包括任何合適的形狀、尺寸和材料。陽極集電器102可包括任何合適的導(dǎo)電材料、或者由涂有導(dǎo)電材料的非導(dǎo)電基板制成。由于陽極集電器102可能與身體接觸，這種電池優(yōu)選地盡可能實(shí)際地為生物相容性的、或者以任何合適的方式避免身體與之接觸。在所示的示例性實(shí)施例中，陽極集電器102包括具有基本上圓形的橫截面的銅線，其直徑為約七十五(75)微米。陽極集電器102還可被鍍上或涂有限制腐蝕或化學(xué)活性的材料，例如鎳、金和/或石墨基涂料。如果使用了電鍍，則還可使用任何數(shù)量的合適的熟知的技術(shù)。此外，如果輪廓和/或尺寸是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)約束，并且使用了電鍍或涂覆，則可縮減基礎(chǔ)基板的輪廓以容納附加層。
[0035]在可供選擇的示例性實(shí)施例中，陽極集電器102可具有單絲碳纖維或復(fù)絲碳纖維紗線。如本文所用，碳材料或碳基材料應(yīng)包括所有元素形式的碳。優(yōu)選地，陽極集電器材料的量應(yīng)保持為提供合適的處理和最終使用性能所需的最小量。換句話講，所選擇的陽極集電器102的尺寸要滿足其最終用途的所需設(shè)計(jì)屬性。
[0036]本文所述的尺寸范圍內(nèi)的碳纖維絲是可商購(gòu)獲得的。例如，可從卓爾泰克公司(Zoltek Companies, Inc.)獲得的名稱為Panex& 35的商用單絲碳纖維的直徑為七(7)微米。集成電路的引線接合中所使用的直徑為二十五(25)微米或更小的銅線和金線是可商購(gòu)獲得的。實(shí)質(zhì)上，陽極集電器102橫截面尺寸的唯一限制是使用合適的方法是否可以滿足電性能屬性和機(jī)械性能屬性。
[0037]圍繞陽極集電器102同心地設(shè)置的是陽極層104。參照?qǐng)D1的示例性實(shí)施例，雖然術(shù)語“同心地”在說明書中通篇使用，但是本文所述的各種元件不必同心地布置。如上所述，陽極層104可包括任何數(shù)量的充當(dāng)還原劑的合適的材料。陽極材料包括H2、L1、Na、Mg、Al、Ca、Fe、Zn、Cd、Pb、鋰的嵌入化合物(如(Li)C6)和金屬氫化物；然而，許多其他材料也可用于陽極構(gòu)造，這對(duì)相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說不言自明。陽極層104可具有任何合適的構(gòu)型，但是優(yōu)選地與陽極集電器102的形狀匹配，從而可實(shí)現(xiàn)最小輪廓。陽極材料的選擇取決于許多因素，包括電化學(xué)活性和與要在其中使用的環(huán)境的相容性。如上文所述，陽極材料優(yōu)選地盡可能為生物相容性的、或者避免與身體直接接觸。陽極層104可具有僅由陽極材料形成的固體結(jié)構(gòu)、或者包含含有陽極材料的固體或多孔復(fù)合材料。陽極層104可以根據(jù)其構(gòu)成通過任何合適的方式設(shè)置在陽極集電器102周圍，包括噴涂、線涂、和浸涂法。
[0038]在示例性實(shí)施例中，陽極層104包括分散在聚合物基質(zhì)中的鋅顆粒。陽極層104的聚合物基質(zhì)可包含形成凝膠的聚合物，例如聚丙烯酸或羧甲基纖維素；然而，這缺乏任何機(jī)械完整性；因此，其還優(yōu)選地包含粘結(jié)聚合物，例如聚(環(huán)氧乙烷)或聚(乙烯醇)、或者需要另外的某種包裝來支承和容納構(gòu)成電池的活性物質(zhì)。鋅顆粒在聚合物基質(zhì)中的重量百分比由電池100輸出所需能量的量來決定。可將其他材料加入鋅/聚合物基質(zhì)中?？梢酝ㄟ^交聯(lián)，例如通過共價(jià)(化學(xué))交聯(lián)或者通過微晶、離子簇或不溶的/固定相分離域的鏈的物理交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物基質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)的附加控制。陽極層104可通過任何合適的方式交聯(lián)。在示例性實(shí)施例中，鋅粒度的實(shí)際上限為在約三十(30)-五十(50)微米的范圍內(nèi)，平均粒度的大約尺寸為約五(5)-十(10)微米。更優(yōu)選地，示例性陽極層104包含平均粒度為約三(3)微米的鋅粉，這種鋅粉的純度相對(duì)較低(約93%)，并且不是特殊合金。然而，使用具有有效粒度分布的高純度電池級(jí)鋅合金可能具有一些有益效果。在示例性實(shí)施例中，陽極層的厚度為約三十(30)微米；然而，厚度可以改變。
[0039]陽極層104的最小實(shí)際厚度由鋅顆粒的粒度分布以及用于構(gòu)建鋅層的涂層數(shù)來決定。如本文所用，術(shù)語“厚度”是指獨(dú)立于任何局部偏差(如其上的團(tuán)塊、空隙等等)的涂層的平均干厚度。在示例性實(shí)施例中，最小實(shí)際陽極層厚度為約十(10)微米。通過涂覆陽極材料的后續(xù)層，陽極層的總厚度可相應(yīng)地增加，以實(shí)現(xiàn)其最終形式為具有更大直徑的更高容量的電池。鋅與失活聚合物基質(zhì)之比也可相應(yīng)地改變或修改，從而得到電解質(zhì)攝取、機(jī)械完整性和能量密度的適當(dāng)平衡。在優(yōu)選的示例性實(shí)施例中，陽極層104中的鋅顆粒的干重為大約五十(50)至九十八(98)重量％。
[0040]陽極層104還可包括導(dǎo)電性碳纖維、研磨導(dǎo)電性碳纖維、碳納米線和/或碳納米管。這些高縱橫比的導(dǎo)電材料可以在整個(gè)陽極層104形成增強(qiáng)的電連續(xù)性，否則由于聚合物粘合劑以及其通過吸收電解質(zhì)或環(huán)境水分的膨脹潛勢(shì)，陽極層104會(huì)破裂?；旧?，這些材料可形成某些性能增強(qiáng)(例如較低的內(nèi)阻和更大程度的活性物質(zhì)的利用率)以及機(jī)械增強(qiáng)(例如粘結(jié)性和可操縱性)。這些相同材料還可用于陰極層108中，如隨后詳細(xì)描述。
[0041]圍繞陽極層104同心地設(shè)置的是隔離件層106。如前所述，隔離件層不必與上層或下層同心。隔離件層106在陽極層104與陰極層108之間提供了非導(dǎo)電層，并且隨后將詳細(xì)描述。隔離件層106可包含可滲透電解質(zhì)的任何合適的非導(dǎo)電材料，該電解質(zhì)分散于整個(gè)線電池100中，如隨后詳細(xì)描述。隔離件層106可具有任何合適的構(gòu)型，但是優(yōu)選地與陽極層104的形狀匹配，從而可實(shí)現(xiàn)最小輪廓。在示例性實(shí)施例中，通過使用任何合適的方法(例如浸涂、線涂或噴涂)在陽極層104上建立聚合物涂層，原位形成隔離件層106。隔離件層106優(yōu)選地足夠厚以防止陽極層104與陰極層108之間的短路。在示例性實(shí)施例中，隔離件層106的厚度為約二十(20)微米；然而，厚度可以改變。如上文所述，隔離件層106優(yōu)選地盡可能為生物相容性的、或者避免與身體直接接觸。
[0042]合適的隔離件層或聚合物分離材料的例子包括聚(環(huán)氧乙烷)和聚(丙烯酸)的共混物；然而，許多其他材料也可用于隔離件構(gòu)造，這對(duì)相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說不言自明。隔離件可通過任何合適的方式交聯(lián)。通常，將聚合物隔離件配制成具有形成良好成膜性質(zhì)的組分和形成性能增強(qiáng)(例如離子滲透性)的附加組分。此外，聚合物隔離件還可包含填料，以有助于使陽極104與陰極108相互隔離。有效的填料的例子包括氧化鋁、微晶纖維素(例如棉絨)、煅制二氧化硅、或任何其他具有適當(dāng)小的粒度并且不導(dǎo)電的填料。隔離件層104具有為電池提供電解質(zhì)儲(chǔ)存器的附加功能。
[0043]圍繞隔離件層106同心地設(shè)置的是陰極層108。同樣，該層不必與上層或下層同心。如上所述，陰極層108可包含任何數(shù)量的充當(dāng)氧化劑的合適材料。陰極材料包括02、Cl2, SO2,MnO2, NiOOH, CuCl、FeS2、AgO、Br2^HgO, Ag2O, PbO2 和 I2 ;然而，許多其他材料也可用于陰極構(gòu)造，這對(duì)相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說不言自明。陰極層108可具有任何合適的構(gòu)型，但是優(yōu)選地與隔離件層106的形狀匹配，從而可實(shí)現(xiàn)最小輪廓。在示例性實(shí)施例中，通過使用任何合適的方法(例如浸涂、線涂或噴涂)使陰極層108形成在隔離件層106上。陰極材料的選擇類似于陽極材料，取決于許多因素，包括電化學(xué)活性和與陰極材料要在其中使用的環(huán)境的相容性。在示例性實(shí)施例中，陰極層108包括在離子可滲透的聚合物粘合劑中或在水和離子可滲透的聚合物粘合劑中與石墨結(jié)合的Ag2O和/或MnO2，其提供機(jī)械穩(wěn)健性以經(jīng)受住處理和電解質(zhì)攝取，同時(shí)利用陰極集電器110保持良好的導(dǎo)電性和連續(xù)性。同樣，陰極層108優(yōu)選地盡可能為生物相容性的、或者避免與身體直接接觸。與陽極層104的情況一樣，可將碳纖維、碳納米線和/或碳納米管添加劑用于陰極層108中。陰極層108的厚度為約四十(40)微米；然而，厚度可以改變。
[0044]陰極層108可包含粉末混合物，這種混合物由球磨活性物質(zhì)(Ag2O和/或Μη02)、導(dǎo)電材料(石墨和/或碳纖維、碳納米線和/或碳納米管)和添加劑(炭黑、分散劑)形成，以確保徹底混合。然后將該粉末混合物分散在聚合物粘合劑(聚環(huán)氧乙烷(PEO)/聚丙烯酸(PAA)共混物)的溶劑溶液中，以形成陰極涂層混合物。然后將陰極涂層混合物施加到原位形成的聚合物隔離件層106的頂部上，以形成陰極層108。陰極層可通過任何已知的方式交聯(lián)。優(yōu)選地，調(diào)節(jié)活性物質(zhì)、導(dǎo)電添加劑和粘合劑聚合物的量，以平衡機(jī)械性能、電性能和處理性能。
[0045]圍繞陰極層108同心地設(shè)置的是陰極集電器110。與其他層的情況一樣，陰極集電器110不必是同心的。根據(jù)電池 100的使用或應(yīng)用，陰極集電器110可包括任何合適的形狀、尺寸和材料。陰極集電器110可包括可以沉積在陰極層108上的任何合適的導(dǎo)電材料。在示例性實(shí)施例中，陰極集電器110包含石墨和/或銀填充的聚合物組合物。陰極集電器110的厚度為約十(10)微米。陰極集電器110優(yōu)選地盡可能為生物相容性的、或者避免與身體直接接觸。
[0046]優(yōu)選地，正如線電池的其他層一樣，將陰極集電器110組合物作為涂層而施加；然而，陰極集電器110的粘合劑聚合物應(yīng)該不吸收明顯量的電解質(zhì)或水。如果出現(xiàn)這種情況，陰極集電器110的導(dǎo)電率將下降，并且電池的性能也將下降。此外，集電器層100中的某些導(dǎo)電元件可與電解質(zhì)反應(yīng)。然而，陰極集電器110應(yīng)該可滲透水蒸氣和其他氣體，以使得電池的內(nèi)部壓力可與周圍環(huán)境平衡，以避免層的內(nèi)部破碎的可能性。用于陰極集電器110的合適的材料為石墨、銀和/或鎳填充的聚合物，例如導(dǎo)電性硅樹脂或含氟聚合物。其他導(dǎo)電組合物可以不受限制地使用，前提條件是該組合物提供與陰極層108和電解質(zhì)的必要的化學(xué)相容性以及所需的機(jī)械性能和電性能。最小實(shí)際厚度由陰極集電器涂層混合物的流變性、導(dǎo)電填料的粒度和電池的所需電性能來決定，要注意的是，陰極集電器的電阻率將驅(qū)動(dòng)后者。陰極集電器110的典型厚度可以為大約10至20微米。
[0047]就替代的“逆轉(zhuǎn)”構(gòu)造或設(shè)計(jì)而言，例如，當(dāng)陽極層包圍中心陰極層時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)并理解，陰極集電器Iio實(shí)際上是陽極集電器，并且中心導(dǎo)線102是陰極集電器。
[0048]圍繞陰極集電器110同心地設(shè)置的是絕緣層112。絕緣層112不必圍繞任何其他層同心設(shè)置。絕緣層112可包含任何合適的生物相容性材料，該材料具有足夠的強(qiáng)度以將電池100的各種元件保持在一起，同時(shí)提供足夠的柔韌性以用于各種應(yīng)用。在線電池中，輪廓和柔韌性是重要的因素。優(yōu)選地，如果使用絕緣層112，則這種絕緣層要包含向環(huán)境開放以獲得透濕性和透氣性這兩者、同時(shí)不導(dǎo)電的材料，從而無需類似于常規(guī)的電池的排氣孔。
[0049]合適的絕緣材料的例子包括非導(dǎo)電性硅樹脂、聚氨酯、含氟聚合物(特別是無定形含氟聚合物和共聚物)、環(huán)氧樹脂、瓷釉、灌注膠、保形涂層等等。絕緣層112的厚度可以盡量小，從而得到導(dǎo)向區(qū)域的全覆蓋，并且得到合適的機(jī)械性能和電性能。絕緣層112的標(biāo)稱厚度可為五(5)微米。優(yōu)選的絕緣材料是聚對(duì)二甲苯族，其為具有可控制的厚度的真空沉積涂層；然而，由于各種設(shè)計(jì)限制，線電池的某些示例性實(shí)施例可排除聚對(duì)二甲苯的使用。優(yōu)選聚對(duì)二甲苯(例如聚對(duì)二甲苯-c)是因?yàn)槠淠軌蚩焖偾揖鶆虻?即保形地)涂覆不規(guī)則基板，而不被待涂覆的表面的化學(xué)物質(zhì)所影響。
[0050]在可供選擇的示例性實(shí)施例中，絕緣層112可作為整體或一體結(jié)構(gòu)而成為陰極集電器110的一部分。例如，陰極集電器110可具有單層或多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)而成為陰極集電器所必需的所有層，以及作為外部結(jié)構(gòu)而成為絕緣體所必需的所有層。作為另外一種選擇，陰極集電器110可由既有保護(hù)性又有導(dǎo)電性的材料制成。這種材料的例子有導(dǎo)電性硅樹脂和含氟聚合物。
[0051]嚴(yán)格意義上講，相對(duì)于電池的電功能性，絕緣層純粹是任選的。例如，其可作為陰極集電器的一部分而形成。作為另外一種選擇，絕緣層可為醫(yī)療裝置的一部分。換句話講，醫(yī)療裝置的一部分可充當(dāng)絕緣層。
[0052]如上文所述，電解質(zhì)是提供用于在陽極與陰極之間的電池內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的介質(zhì)(例如離子)的材料。在常規(guī)的電池中，使用強(qiáng)堿，例如氫氧化鈉(NaOH)和氫氧化鉀(KOH);然而在本發(fā)明中，可使用弱堿和/或離子液體，其可為pH中性或緩沖為控制的pH水平，以便具有更高的生物相容性。然而，諸如NaOH和KOH的強(qiáng)堿仍然是本發(fā)明的線電池的可行的電解質(zhì)組分。離子液體是呈液態(tài)的鹽。在接近環(huán)境溫度下為液體的鹽(也稱為室溫離子液體)尤其可用于電化學(xué)電池中。
[0053]如上文所述，在生物相容性可充電電化學(xué)線電池的構(gòu)造內(nèi)，可使用各種設(shè)計(jì)和材料修改形式，包括各種元件的重新排列。此外，還可在各種元件之間使用粘合劑，以有助于將各種元件保持在一起。通常，這些粘合劑與那些用于線電池各層中的材料相同，并且包含與離子可滲透的聚合物共混的成膜聚合物。在某些情況下，根據(jù)特定的應(yīng)用，粘合劑可為基本上不同或獨(dú)特的配方。
[0054]參見圖2，其中示出了使用預(yù)定長(zhǎng)度的生物相容性線電池100的簡(jiǎn)化電路的示意圖。如圖所示，生物相容性線電池100連接至外部電路或負(fù)載200。陽極集電器102連接至負(fù)載200的負(fù)端子，并且陰極集電器110連接至負(fù)載200的正端子，從而使電路完整。與負(fù)載200的連接可通過任何合適的方式完成，例如通過導(dǎo)電環(huán)氧樹脂連接。連接的類型決定了顯露出多少陽極集電器102和陰極集電器110。需要特別注意的是，無論使用什么工具來切割和/或以其他方式暴露集電器，都必須注意避免通過使陽極層104或陽極集電器102與陰極層108或陰極集電器110接觸而引起短路的任何情況。需要特別注意的是，圖2僅僅出于說明的目的，而不表示實(shí)際的連接。
[0055]陽極和陰極材料決定電池的電壓和容量?；旧?，電壓由所使用的活性物質(zhì)的類型決定，并且安培小時(shí)容量由所使用的活性物質(zhì)的量決定。因此，生物相容性線電池100的開路電壓基本上與所使用的線電池長(zhǎng)度無關(guān)，而容量則不是如此。然而需要特別注意的是，對(duì)于任何蓄電池組電池設(shè)計(jì)來說，都將有最小長(zhǎng)度，其中如果電池縮短，則開路電壓將會(huì)大幅降低，因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻與線電池長(zhǎng)度成反比，并且內(nèi)阻值越高，電池的開路電壓將越低。由于電池長(zhǎng)度可隨著特定的應(yīng)用而改變，所以可調(diào)節(jié)電池的設(shè)計(jì)(包括材料的選擇和材料的量)以滿足特定應(yīng)用。例如，可改變活性物質(zhì)的濃度或活性物質(zhì)的密度而不顯著影響輪廓。作為另外一種選擇，有源層可較厚。在又一個(gè)可供選擇的示例性實(shí)施例中，可將附加材料用作如本文所述的添加劑。
[0056]根據(jù)可供選擇的示例性實(shí)施例，公開了雙線電池或線電池，其中一條導(dǎo)線是陽極集電器，并且另一條為陰極集電器。成倍的這些類型的電池可并聯(lián)排列以實(shí)現(xiàn)更大的容量和/或串聯(lián)排列以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，如隨后更詳細(xì)地描述。這種類型的排列或設(shè)計(jì)既有許多優(yōu)點(diǎn)、又有許多缺點(diǎn)，這在下文中將詳細(xì)描述。
[0057]參見圖3，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的可供選擇的示例性生物相容性線電池300的局部橫截面剖視圖。在該示例性實(shí)施例中，線電池的芯包括基本上相互并聯(lián)運(yùn)行的陽極集電器302和陰極集電器310兩者。如之前的示例性實(shí)施例中所述，根據(jù)電池300的使用或應(yīng)用，陽極集電器302和陰極集電器310均可包括任何合適的形狀、尺寸和材料。在優(yōu)選的示例性實(shí)施例中，雖然集電器302和集電器310均由具有基本上圓形橫截面的金屬線形成，但是可以無限制地使用可供選擇的橫截面輪廓，例如可以使用正方形橫截面。圍繞陽極集電器302設(shè)置的是陽極層304，并且圍繞陰極集電器310設(shè)置的是陰極層308。如在之前所述的示例性實(shí)施例中，層304和層308可通過使用相同方法中的任何者由相同合適材料中的任何者形成。圍繞陽極層304和陰極層308設(shè)置的是原位形成的隔離件層306。同樣，如在之前所述的示例性實(shí)施例中所示出，隔離件層306可通過使用相同制備方法中的任何者而包含相同材料中的任何者。圍繞隔離件層306設(shè)置的是絕緣層312，如之前所述的示例性實(shí)施例中所示出，其還可通過使用相同制備方法中的任何者而包括相同材料和構(gòu)型。此外，電解質(zhì)也可是相同的。
[0058]通過此并聯(lián)的雙金屬線設(shè)計(jì)，可以認(rèn)識(shí)到許多優(yōu)點(diǎn)。在具有用于陽極和陰極兩者的真實(shí)金屬集電器的情況下，可對(duì)兩者使用焊接互連，例如將銅焊接在陽極側(cè)，并且將鎳焊接在陰極側(cè)。此外，雙金屬線設(shè)計(jì)比單線設(shè)計(jì)更穩(wěn)固，原因顯而易見。本發(fā)明的雙線電池可扭曲成雙螺旋，從而對(duì)整體結(jié)構(gòu)提供額外的機(jī)械支承。只要雙線電池保持其功能性，每單位長(zhǎng)度的圈數(shù)便可無限地變化。換句話講，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的完整性必須保持完整無損。關(guān)于處理，不需要集電器涂覆步驟，并且要減少涂料或涂層的總數(shù)，從而將改變和/或破壞基礎(chǔ)涂層的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。雙線設(shè)計(jì)還提供了當(dāng)由于卷曲而修剪導(dǎo)線長(zhǎng)度時(shí)陽極到陰極短路的更少的機(jī)會(huì)或降低的風(fēng)險(xiǎn)，以及陽極與陰極之間風(fēng)險(xiǎn)較小的接觸區(qū)域，從而降低通過隔離件層的內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)。該設(shè)計(jì)還提供較少受限的水分和排出氣體的擴(kuò)散通道。最后，可將互連建立在相同端或相對(duì)的兩端上。
[0059]還可集成和交替多個(gè)雙線陽極-陰極對(duì)，以形成具有2、3、4個(gè)或更多個(gè)離散陽極/陰極對(duì)的多線電池。為了使這種排列方式起作用，每個(gè)陽極/陰極對(duì)應(yīng)該與相鄰的陽極/陰極對(duì)電隔離和離子隔離。換句話講，在多線構(gòu)型中，電子絕緣體和離子絕緣體應(yīng)圍繞每個(gè)陽極/陰極對(duì)而存在。這可以利用合適的絕緣材料(例如上文所提到的那些)，以任何便利的方式(例如浸涂、線涂或噴涂)，通過熔化或過量涂覆兩個(gè)或更多個(gè)離散的雙線電池來完成，以形成多線電池。可以將多個(gè)雙線電池相互并聯(lián)組裝，以形成平坦的“帶狀物”、或者可將其組裝成一束或任何其他可用構(gòu)型，例如編織物。只要每個(gè)相鄰的單線電池彼此電絕緣和離子絕緣，則對(duì)單線電池的描述也可是相同的。這種構(gòu)造提供進(jìn)一步的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)和柔韌性，從而根據(jù)需要將獨(dú)立的陰極/陽極對(duì)中的每一個(gè)互連成各種串聯(lián)和/或并聯(lián)的排列方式。就多線電池而言，通過以串聯(lián)形式互連相鄰的電池的步驟可使開路電壓增加。
[0060]如果需要絕緣層，單線設(shè)計(jì)上的互連可以建立在能安全移除絕緣層的任何位置上。當(dāng)絕緣層和最外層的集電器完全相同時(shí)，最外層的互連可建立在單線設(shè)計(jì)或構(gòu)造的外部。
[0061]與雙線或多線設(shè)計(jì)相關(guān)的缺點(diǎn)少于優(yōu)點(diǎn)，并且包括較低的活性物質(zhì)與非活性物質(zhì)之比，并且放電率可由于增加的離子傳送距離而降低。
[0062]圖4-6示出了雙線和四線蓄電池組電池設(shè)計(jì)的示例性電路結(jié)構(gòu)。在圖4中，負(fù)載200的正端子連接至陰極集電器110，并且負(fù)載200的負(fù)端子連接至陽極集電器102。這種連接布局示出了以并聯(lián)構(gòu)型連接至負(fù)載200的雙線電池。在圖5中，負(fù)載200的正端子連接至電池一側(cè)上的陰極集電器110，并且負(fù)載200的負(fù)端子連接至電池另一側(cè)上的陽極集電器102，從而以反并聯(lián)的排列方式構(gòu)造電路。
[0063]圖6示出了連接至負(fù)載200的四絞合線電池400。四絞合線電池400包括通過電池間的內(nèi)部連線405串聯(lián)連接的兩個(gè)雙線電池401和403，該內(nèi)部連線可包括任何合適的材料，并將電池401的陰極集電器410連接至電池403的陽極集電器402。四絞合線電池400還包括圍繞兩個(gè)電池401和403的離子和電絕緣體407。串聯(lián)互連使電池400的標(biāo)稱電壓輸出加倍。串聯(lián)連接改變電壓輸出，而并聯(lián)排列方式改變?nèi)萘俊Ｘ?fù)載200的正極連接至電池403的陰極集電器410，并且負(fù)載200的負(fù)端子連接至電池401的陽極以接通電路。需要特別注意的是，這些僅僅出于說明的目的，并且各種其他構(gòu)型也是可能的。
[0064]在本發(fā)明的一些示例性實(shí)施例中，可能需要組裝和/或儲(chǔ)存處于充分放電或失活狀態(tài)中的線電池，其隨后可在用作電源之前被充電或激活。這樣做的一個(gè)原因應(yīng)當(dāng)是限制不希望的副反應(yīng)或所使用材料的形態(tài)變化。例如，眾所周知，鋅電極與水在存在含水電解質(zhì)的情況下經(jīng)歷慢的副反應(yīng)，這種副反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋅和氫氣。已知一些碳材料可用于催化這種副反應(yīng)。此外，已知一些離子物質(zhì)在電化學(xué)電池內(nèi)遷移，這可影響電池性能和/或使用壽命O
[0065]通過利用陽極前體(例如氧化鋅顆粒)和合適的陰極前體(例如金屬銀顆粒)形成電池，則可制造潛在性的線電池，其幾乎不包含或不包含能夠引起不利副反應(yīng)的鋅金屬。這種潛在性的線電池可單獨(dú)儲(chǔ)存或集成到任何裝置中，其可在裝置投入使用之前儲(chǔ)存一段時(shí)間。在使用之前，啟動(dòng)第一充電周期(形成)以從它們各自的前體形成電極(陽極和陰極)。該方法額外的有益效果是，不同形態(tài)的陽極前體和陰極前體材料可以不同純度商購(gòu)獲得，而不同純度的相應(yīng)的陰極和陽極材料可能不易得到。例如，非常高純度的材料或納米粒子、納米線、或具有高縱橫比的薄片可用作陰極和/或陽極前體材料。通過利用這種材料形成潛在性的線電池，可以多種方式使本發(fā)明的線電池的可加工性和可制造性更理想。此外，可通過使用這種方法基本上消除在儲(chǔ)存壽命期間對(duì)電池的保質(zhì)期和自放電的擔(dān)憂。
[0066]根據(jù)本文所述的示例性實(shí)施例，可使用任何數(shù)量的裝置將線電池切割成一定長(zhǎng)度。例如，可使用任何數(shù)量的剪切型切割裝置將線電池切割成擬合特定裝置的長(zhǎng)度，然而其必須以避免陽極與陰極之間或陽極集電器與陰極集電器之間形成短路的方式來完成。一般來講，應(yīng)支承線電池的兩側(cè)，然后(如用剃刀刀片)垂直于導(dǎo)線的中心軸線形成可控剪切切口。在一些情況下，這種剪切切口可完全通過線電池。在其他情況下，可能希望剪切切口停止在中心導(dǎo)線處。例如，可通過使單線電池繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使得鋒利刀片向下垂直于導(dǎo)線的中心軸線，當(dāng)?shù)镀笾屡c金屬線相交時(shí)停止，從而形成圓周切口?？墒箖蓚€(gè)此類切口短距離彼此分開，并且兩個(gè)圓周切口之間的材料可以用任何便利的方式(例如刮削、磨蝕、水噴等)來除去，從而暴露出中心金屬線以用于隨后的切割和/或互連。將線電池切割成一定長(zhǎng)度的可供選擇的方式為夾斷法，例如，使用一對(duì)鉗子或?qū)乔懈钇?。上述切割線電池的方法并非窮舉性的，并且只要所得的切口不使電池短路，則可以使用任何合適的和可用的方法。
[0067]電池可以不需要離散的絕緣體層的方式結(jié)合到裝置中?？蓪⒕€電池切割并形成所需的形狀，然后使用任何合適的方式，例如，通過使用紫外光固化性粘合劑，然后通過(例如與焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹脂)建立電互連而設(shè)置到裝置上或裝置中。作為另外一種選擇，可在將線電池固定到其所需位置中之前建立互連。應(yīng)當(dāng)理解，以這樣的方式在沒有絕緣體的情況下使用單線或多股線電池，電解質(zhì)可能被暴露于裝置的鄰近部分。因此，可能有必要確保將裝置的其他部分設(shè)計(jì)成與可能是腐蝕性或反應(yīng)性的特定電解質(zhì)相容。在這種情況下，可能有利的是原位(例如通過使用保形涂層或灌注膠)形成絕緣層。這樣，絕緣體材料應(yīng)仍然保持上述完整絕緣體層的所需屬性；即，它既可滲透水、又可滲透氣體。合適的保形涂層和/或灌注膠可從許多供應(yīng)商處商購(gòu)獲得。根據(jù)裝置的預(yù)期用途和要求，絕緣材料可不受限制地變化。
[0068]在制造根據(jù)本發(fā)明的電池或蓄電池組電池中，需要特別注意的是，可以使用寬泛范圍的材料和制備方法。一般而言，應(yīng)該將所選擇的材料與所使用的方法結(jié)合，從而通過安全、可靠和可重復(fù)的方法來制造可提供良好機(jī)械操作和良好電性能的電池。優(yōu)選地選擇形成電池元件中的每一個(gè)的材料，以滿足這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及滿足待供電裝置所需的電輸出標(biāo)準(zhǔn)，并且要與待供電裝置機(jī)械和化學(xué)相容。因此，一旦選擇了材料，就需要進(jìn)行測(cè)試，以確定電池元件是否按照所希望的那樣運(yùn)行。因此，必須開發(fā)測(cè)試裝置和方法，以適應(yīng)這些新裝置。此外，用于制造根據(jù)本發(fā)明的電池的方法包括一旦選擇和測(cè)試了所需材料和輪廓，就優(yōu)化處理技術(shù)。最后，在將電池集成到其要被使用的裝置中時(shí)，無論如何都必須考慮以不會(huì)局部破壞或改變它們的方式來互連電池。
[0069]盡管所示出并描述的是據(jù)信最為實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例，但顯然，對(duì)所述和所示的具體設(shè)計(jì)和方法的變更對(duì)本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說不言自明，并且可在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的前提下使用這些變更形式。本發(fā)明并非局限于所述和所示的具體構(gòu)造，而是應(yīng)該理解為與屬于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的全部修改形式相符。
【權(quán)利要求】
1.一種電化學(xué)蓄電池組電池，包括: 陽極集電器，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線； 陽極層，所述陽極層形成于并且設(shè)置在所述陽極集電器的至少一部分周圍； 隔離件層，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在所述陽極層的至少一些部分周圍； 陰極層，所述陰極層形成于并且設(shè)置在所述隔離件層的至少一部分周圍，所述隔離件層被配置成防止所述陽極層與所述陰極層之間的電接觸； 陰極集電器，所述陰極集電器形成于并且設(shè)置在所述陰極層的至少一部分周圍；和 電解質(zhì)，所述電解質(zhì)在所述陽極層與所述陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，還包括絕緣層，所述絕緣層形成于并且設(shè)置在所述陰極集電器的至少一些部分周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述陽極集電器包括至少部分地覆蓋有導(dǎo)電材料的非導(dǎo)電材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述陽極集電器包含金屬材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述陽極集電器包含碳基材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述陽極層包含分散在聚合物基質(zhì)中的鋅顆粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述隔離件層包含電解質(zhì)可滲透的、非導(dǎo)電聚合物材料。`
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述陰極層包含在離子可滲透的聚合物粘合劑中與石墨結(jié)合的Ag2O和MnO2中的至少一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述陰極集電器包含石墨、銀和鎳填充的聚合物中的至少一者。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電化學(xué)蓄電池組電池，其中所述聚合物包括導(dǎo)電性硅樹脂或含氟聚合物。
11.一種電化學(xué)蓄電池組電池，包括: 至少一個(gè)陽極集電器，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線； 至少一個(gè)陰極集電器，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述至少一個(gè)陰極集電器設(shè)置在所述至少一個(gè)陽極集電器附近并且相隔預(yù)定的距離，其中所述至少一個(gè)陽極集電器和所述至少一個(gè)陰極集電器中的每一個(gè)被配置成成對(duì)的； 陽極層，所述陽極層形成于并且設(shè)置在所述至少一個(gè)陽極集電器的至少一部分周圍；陰極層，所述陰極層形成于并且設(shè)置在所述至少一個(gè)陰極集電器的至少一部分周圍；隔離件層，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在所述陽極層和所述陰極層兩者的一些部分周圍，所述隔離件層被配置成防止所述陽極層與所述陰極層之間的電接觸；和電解質(zhì)，所述電解質(zhì)在所述陽極層與所述陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電化學(xué)蓄電池組電池，還包括絕緣層，所述絕緣層形成于并且設(shè)置在所述隔離件層的至少一些部分周圍。
13.一種電化學(xué)蓄電池組電池，包括: 陰極集電器，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線； 陰極層，所述陰極層形成于并且設(shè)置在所述陰極集電器的至少一部分周圍；隔離件層，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在所述陰極層的至少一些部分周圍； 陽極層，所述陽極層形成于并且設(shè)置在所述隔離件層的至少一部分周圍，所述隔離件層被配置成防止所述陰極層與所述陽極層之間的電接觸； 陽極集電器，所述陽極集電器形成于并且設(shè)置在所述陽極層的至少一部分周圍；和 電解質(zhì)，所述電解質(zhì)在所述陰極層與所述陽極層之間建立離子導(dǎo)電性。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電化學(xué)蓄電池組電池，還包括絕緣層，所述絕緣層形成于并且設(shè)置在所述陽極集電器的至少一些部分周圍。
15.一種結(jié)合電化學(xué)蓄電池組電池的裝置，包括: 電力驅(qū)動(dòng)元件，所述電力驅(qū)動(dòng)元件具有至少一組正電觸頭和負(fù)電觸頭；和線形式電化學(xué)蓄電池組電池，所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池結(jié)合到所述電力驅(qū)動(dòng)元件中或結(jié)合到所述電力驅(qū)動(dòng)元件上，所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池具有陽極集電器和陰極集電器，所述陽極集電器和陰極集電器互連到所述至少一組正電觸頭和負(fù)電觸頭，從而形成完整的電路。
16.一種潛在性的電化學(xué)蓄電池組電池，包括: 陽極集電器，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線； 陽極層，所述陽極層形成于并且設(shè)置在所述陽極集電器的至少一部分周圍，所述陽極層由前體還原材料形成，所述前體還原材料可轉(zhuǎn)化為還原材料； 隔離件層，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在所述陽極層的至少一些部分周圍； 陰極層，所述陰極層形成于并且設(shè)置在所述隔離件層的至少一部分周圍，所述陰極層由前體氧化材料形成，所述前體氧化材料可轉(zhuǎn)化為氧化材料，其中所述隔離件層被配置成防止所述陽極層與所述陰極層之間的電接觸； 陰極集電器，所述陰極集電器形成于并且設(shè)置在所述陰極層的至少一部分周圍；和 電解質(zhì)，所述電解質(zhì)在所述陽極層與所述陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電化學(xué)蓄電池組電池，還包括絕緣層，所述絕緣層形成于并且設(shè)置在所述陰極集電器的至少一些部分周圍。
18.—種潛在性的電化學(xué)蓄電池組電池，包括: 陰極集電器，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線； 陰極層，所述陰極層形成于并且設(shè)置在所述陰極集電器的至少一部分周圍，所述陰極層由前體氧化材料形成，所述前體氧化材料可轉(zhuǎn)化為氧化材料； 隔離件層，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在所述陰極層的至少一些部分周圍； 陽極層，所述陽極層形成于并且設(shè)置在所述隔離件層的至少一部分周圍，所述陽極層由前體還原材料形成，所述前體還原材料可轉(zhuǎn)化為還原材料，其中所述隔離件層被配置成防止所述陰極層與所述陽極層之間的電接觸； 陽極集電器，所述陽極集電器形成于并且設(shè)置在所述外層的至少一部分周圍；和 電解質(zhì)，所述電解質(zhì)在所述陰極層與所述陽極層之間建立離子導(dǎo)電性。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電化學(xué)蓄電池組電池，還包括絕緣層，所述絕緣層形成于并且設(shè)置在所述陽極集電器的至少一些部分周圍。
20.一種電化學(xué)蓄電池組電池，包括: 至少一個(gè)陽極集電器，所述陽極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線；至少一個(gè)陰極集電器，所述陰極集電器被配置成具有預(yù)定橫截面輪廓的導(dǎo)線，所述至少一個(gè)陰極集電器設(shè)置在所述至少一個(gè)陽極集電器附近并且相隔預(yù)定的距離，其中所述至少一個(gè)陽極集電器和所述至少一個(gè)陰極集電器中的每一個(gè)被配置成成對(duì)的； 陽極層，所述陽極層形成于并且設(shè)置在所述至少一個(gè)陽極集電器的至少一部分周圍，所述陽極層由前體還原材料形成，所述前體還原材料可轉(zhuǎn)化為還原材料； 陰極層，所述陰極層形成于并且設(shè)置在所述至少一個(gè)陰極集電器的至少一部分周圍，所述陰極層由前體氧化材料形成，所述前體氧化材料可轉(zhuǎn)化為氧化材料； 隔離件層，所述隔離件層形成于并且設(shè)置在所述陽極層和所述陰極層兩者的至少一些部分周圍，所述隔離件層被配置成防止所述陽極層與所述陰極層之間的電接觸；和電解質(zhì)，所述電解質(zhì)在所述陽極層與所述陰極層之間建立離子導(dǎo)電性。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電化學(xué)蓄電池組電池，還包括絕緣層，所述絕緣層形成于并且設(shè)置在所述隔離件層的至少一些部分周圍。
22.一種用于形成與裝置一起使用的電化學(xué)電池的方法，所述方法包括: 從線形式電化學(xué)蓄電池組電池供給中取出一定長(zhǎng)度的線形式電化學(xué)蓄電池組電池，所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池包括陽極集電器和陰極集電器； 從所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池供給中分離出預(yù)定長(zhǎng)度的線形式電化學(xué)蓄電池組電池； 提供所述陽極集電器和所述陰極集電器兩者的一部分以用于與待供電的裝置電接觸；以及將所述線形式電化學(xué)蓄電池組電池配置成預(yù)定的形狀以與待供電的裝置一起使用。
【文檔編號(hào)】H01M2/02GK103718328SQ201280037422
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月2日
【發(fā)明者】D.B.奧茨, K.R.哈迪, R.B.皮尤, E.R.克尼克 申請(qǐng)人:莊臣及莊臣視力保護(hù)公司