ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СМЕЖНЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка на патент испрашивает преимущество по предварительной заявке на патент США № 62/393,281, поданной 12 сентября 2016 г.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
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 области техники
В последнее время число медицинских устройств и их функциональных возможностей начало быстро расти. 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 функциональных возможностей, многие из этих устройств в настоящее время нуждаются в автономных средствах энергообеспечения, которые соответствуют требованиям к размеру и форме для этих устройств, а также требованиям к энергообеспечению 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. Топология и относительно небольшой размер биосовместимых устройств могут создавать сложные условия среды для определения различных функциональных возможностей. Во многих примерах может быть важно обеспечить безопасные, надежные компактные и экономичные средства питания полупроводниковых компонентов внутри биосовместимых устройств. Следовательно, существует потребность в биосовместимых элементах питания, образованных для имплантации внутри или на поверхности биосовместимых устройств, где структура элементов питания миллиметрового или меньшего размера обеспечивает улучшенное функционирование элемента питания при сохранении биосовместимости.
Один такой элемент подачи питания, используемый для электропитания устройства, может представлять собой батарею. При использовании батареи в устройствах биомедицинского типа может быть важно, чтобы в структуре и конфигурации батареи были учтены аспекты биосовместимости. Таким образом, существует потребность в новых примерах формирования биосовместимых батарей для применения в биосовместимых элементах подачи питания, которые могут значительно улучшать аспекты герметизации.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, описаны связанные с герметизацией улучшенные стратегии и конфигурации для применения в биосовместимых элементах подачи питания.
Один общий аспект включает в себя биомедицинское устройство, включающее в себя 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 применяется 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 в примере, не имеющем ограничительного характера. В некоторых примерах биосовместимая батарея также включает в себя гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и причем толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из биохимического элемента подачи питания. Химическое осаждение может включать в себя применение химической составляющей на основе меди для осаждения слоя меди с получением гальванического наружного металлического покрытия. В некоторых примерах на участке биосовместимой батареи применяется блокирующий материал, который предотвращает формирование на гальваническом наружном металлическом покрытии области с одним или более анодными контактами и катодным контактом.
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, при этом 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, при этом 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 в себя 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®; 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 расплавление паяльной пасты.
Реализация вышеописанных батарей может включать в себя один или более из следующих признаков: уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью керамики, полупроводниковым кристаллом или стеклянным материалом и металлической трубкой или другой керамикой, полупроводником или стеклянным материалом.
Кроме того, примеры батарей могут включать в себя батарею, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой трубкой, включает в себя эпоксидный адгезив. Кроме того, примеры батарей могут включать в себя батарею, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой трубкой, включает в себя эпоксидный адгезив. Кроме того, батарея может также включать в себя батарею, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой трубкой, включает в себя первый слой, включающий в себя частицы молибдена и марганца в смеси с керамическими порошками, который затем покрывают металлической пленкой. Батарея, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой трубкой, включает в себя первый слой, включающий в себя частицы молибдена и марганца в смеси с керамическими порошками, который затем покрывают металлической пленкой. Батарея может также включать в себя батарею, где металлическая пленка включает в себя никель.
В некоторых примерах примеры батарей включают в себя батарею, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, включает в себя первый слой металлической пленки, осажденной физическим осаждением из паровой фазы (PVD). Батарея может также включать в себя батарею, где металлическая пленка включает в себя титан. Батарея может также включать в себя батарею, где на металлическую пленку, нанесенную путем физического осаждения из паровой фазы (PVD), дополнительно осаждают пленку из электрохимически неактивного металла.
Примеры батарей могут также включать в себя батарею, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой трубкой, включает в себя множество тонких слоев металлических пленок, где первый тонкий слой металлической пленки осаждают на второй слой металлической пленки, где первый тонкий слой металлической пленки химически активен относительно второго слоя металлической пленки с высвобождением энергии для быстрого нагрева слоев и где химическую реакцию активируют энергетическим импульсом. В некоторых примерах энергетический импульс включает в себя фотоны. В некоторых примерах энергетический импульс включает в себя электроны. В некоторых примерах энергетический импульс включает в себя тепловую энергию.
В некоторых примерах батарея может также включать в себя батарею, где уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой трубкой, включает в себя стандартное основание из сплава припоя с добавлением титана, где титан реагирует с поверхностными материалами первой уплотнительной поверхности при воздействии ультразвуковой энергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеизложенные и другие признаки и преимущества изобретения станут понятны после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, показанных на прилагаемых чертежах.
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 проникающими 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. 11А-11Е показаны виды сбоку в поперечном сечении компонентов примера полностью сформированной трубчатой формы.
На Фиг. 11F показан вид в поперечном сечении примера полностью сформированной трубчатой формы.
На Фиг. 11G показан вид сверху примера полностью сформированной трубчатой формы, где трубка имеет полукруглую форму.
На Фиг. 11H показано поперечное сечение примера полностью сформированной гальванизированной батареи трубчатой формы с различными нанесенными слоями.
На Фиг. 11J показано блокирование участков примера батареи трубчатой формы с лентой для нанесения с целью предотвращения нанесения покрытия в этих областях.
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. Поэтому примеры не ограничивают объем настоящей заявки. В некоторых примерах эти биосовместимые батареи могут быть выполнены с возможностью применения в теле живого организма или вблизи него.
Определения
В описании и представленной ниже формуле изобретения могут использоваться различные термины, для которых будут применяться приведенные ниже определения.
В настоящем документе термин «анод» относится к электроду, через который электрический ток проходит в поляризованное электрическое устройство. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Иными словами, электроны текут из анода, например, в электрическую цепь.
В настоящем документе термин «батарея» относится к электрохимическому источнику питания, который состоит из одного электрохимического элемента или множества электрохимических элементов, соответствующим образом соединенных вместе 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 выполнен с возможностью обеспечения упругих откликов на механические деформации и который химически совместим с другими компонентами элемента подачи питания. 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 за пределы поляризованного электрического устройства. Направление электрического тока, как правило, противоположно направлению потока электронов. Поэтому электроны поступают в катод поляризованного электрического устройства и выходят, например, за пределы подсоединенной электрической цепи.
В настоящем документе термин «покрытие» относится к осаждению тонких слоев материала. В некоторых видах применения термин будет относиться к тонкому осажденному слою, который по существу покрывает поверхность подложки, на которой он образован. В других, более специализированных видах применения термин может применяться для описания небольших тонких осажденных слоев на меньших областях поверхности.
В настоящем документе термин «электрод» может относиться к активной массе в источнике энергии. Например, он может включать в себя 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 подачи питания 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 перевода 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 подачи питания, которые не взаимодействуют ни с кислотными, ни с щелочными электролитами. Как правило, наполнители могут включать в себя по существу нерастворимые в воде материалы, такие как углеродная сажа; угольная пыль; графит; оксиды и гидроксиды металлов, например кремния, алюминия, кальция, магния, бария, титана, железа, цинка и олова; карбонаты металлов, например кальция и магния; минералы, например слюду, 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, подачу питания, 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 в себя две части формы для литья, которые при размещении напротив друг друга формируют структуру трехмерного объекта.
В настоящем документе термин «мощность» относится к выполняемой работе или энергии, передаваемой за единицу времени.
В настоящем документе термины «перезаряжаемый» или «повторно запитываемый» относятся к возможности восстановления в состояние с более высокой способностью выполнять работу. Во многих вариантах применения термины могут относиться к возможности восстановления со способностью обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных периодически повторяющихся периодов времени.
В настоящем документе термины «перезаряжать» или «повторно запитывать» относятся к восстановлению в состояние с более высокой способностью выполнять работу. Во многих вариантах применения термины могут относиться к возможности восстановления устройства до способности обеспечивать электрический ток определенной величины в течение определенных периодически повторяющихся периодов 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.
В настоящем документе термин «многослойный» 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 другие функции, так что слои контактируют друг с другом через указанное покрытие.
В настоящем документе термин «дорожки» относится к компонентам элемента подачи питания, выполненным с возможностью соединения вместе компонентов цепи. Например, дорожки цепи могут включать в себя медь или золото, когда подложка представляет собой печатную плату, и, как правило, могут представлять собой пленку из меди или золота или печатную пленку в гибкой цепи. 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.
Могут иметься и другие примеры способов сборки и конфигурации батарей в соответствии с настоящим изобретением, и некоторые из них могут быть описаны в следующих разделах. Однако 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.
Пример конструкции биомедицинского устройства с биосовместимыми элементами подачи питания
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 обеспечивать изменение фокусных характеристик 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 элементов, в данном случае трех элементов, и может включать в себя химические элементы батареи различной конфигурации, как было описано. Элементы 110 батареи могут иметь различные соединительные элементы для соединения вместе элементов, как может быть показано, лежащих ниже области взаимного соединения 114. Элементы 110 батареи могут быть подсоединены к элементу 105 цепи, который может иметь свою собственную подложку 115, на которой могут быть размещены соединительные элементы 125. Цепь 105, которая может быть в форме интегральной схемы, может быть электрически и физически подсоединена к подложке 115 и ее соединительным элементам 125.
На Фиг. 1В показано, что рельеф в поперечном сечении контактной линзы 150 может содержать вставку 100 для контактной линзы и ее описанные составляющие. Вставка 100 для контактной линзы может быть инкапсулирована в юбке из гидрогеля 155 контактной линзы, которая может инкапсулировать вставку 100 для контактной линзы и обеспечивать комфортное взаимодействие контактной линзы 150 с глазом пользователя.
Требования по электропитанию микробатарей
Другая область с точки зрения конструктивных особенностей может быть связана с требованиями 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 в режиме 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 за состоянием 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 также позволять значительно уменьшать размеры устройств.
Микробатареям для биомедицинских сфер применения может быть необходимо одновременно удовлетворять ряду сложных требований. Например, от микробатарей может требоваться наличие возможности обеспечивать приемлемое рабочее напряжение для встроенной электрической цепи. Это рабочее напряжение может зависеть от нескольких факторов, включая функциональный «узел» ИС, выходной сигнал напряжения от 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 подзатворного оксида, 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 мкм, как правило, могут применяться FET 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 элементы цифровых блоков, например инверторы и триггеры, с характеристиками, соответствующими определенным диапазонам напряжения. Конструкторы выбирают функциональный узел ИС на основании нескольких факторов, включая плотность цифровых устройств, аналоговые/цифровые устройства смешанного типа, ток утечки, число слоев соединений и доступность специальных устройств, таких как полевые транзисторы высокого напряжения. С учетом этих параметрических аспектов электрических компонентов, которые могут получать электропитание от микробатареи, может быть важно обеспечить, чтобы источник питания микробатареи соответствовал требованиям выбранного функционального узла и конфигурации ИС, в особенности с точки зрения доступного уровня напряжения и тока.
В некоторых примерах электрическая цепь, получающая электропитание от микробатареи, может быть подсоединена к другому устройству. В качестве не имеющего ограничительного характера примера электрическая цепь, получающая электропитание от микробатареи, может быть подсоединена к исполнительному механизму или преобразователю. В зависимости от сферы применения это может быть светодиод (LED), датчик, насос на основе микроэлектромеханических систем (MEMS) и многие другие такие 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 фактором такого типа, 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 элементы батареи, как правило, могут характеризоваться напряжением при разомкнутой цепи, напряжением с нагрузкой и напряжением отсечки. Напряжение при разомкнутой цепи представляет собой потенциал, создаваемый элементом батареи при бесконечном сопротивлении нагрузки. Напряжение с нагрузкой представляет собой потенциал, создаваемый элементом при подключении к выводам 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 избыточное выделение газов. Напряжение отсечки может зависеть, как правило, не от самой батареи, а от цепи, к которой подсоединена батарея, например от рабочего напряжения электронной цепи. В одном примере щелочной 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 элементом микробатареи конкретной конфигурации, может зависеть и от других факторов используемого химического состава элемента. Поэтому разные по химическому составу элементы могут иметь разные значения напряжения элемента.
Для увеличения напряжения элементы могут подсоединяться последовательно; однако эта комбинация может повлечь за собой увеличение размеров, повышение внутреннего сопротивления и усложнение батареи. Элементы также можно объединять в параллельные конфигурации, чтобы снизить сопротивление и увеличить емкость; однако такая 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 может быть, как правило, указана в таких единицах, как микроампер-час. 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; однако 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, размещенного между электродами, и относительные пропорции анода, активных материалов катода, электропроводных материалов и электролита.
В зависимости от требований к цепи, к которой подсоединена батарея, может требоваться, чтобы батарея служила источником тока в определенном диапазоне значений. В период хранения до активного применения через цепи, взаимные 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 таких 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 могут быть важны для конструктивных особенностей.
Срок хранения, как правило, относится к периоду времени, в течение которого батарея может поддерживать используемые рабочие параметры. Срок хранения может быть особенно важен 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 может считаться нежелательным. Требования к сроку хранения могут быть также установлены с учетом вопросов 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, числом 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 подсоединить 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 подсоединить к трехмерному биосовместимому элементу питания. Под действием света или фотонов фотоэлектрические устройства будут продуцировать электроны для подзарядки элемента подачи 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 взаимные соединения. Эти взаимные соединения могут со временем представлять проблему для биомедицинских микробатарей ввиду нескольких факторов. В некоторых примерах биомедицинские устройства с электропитанием могут быть очень маленькими, обеспечивая таким образом малые площади и объемы для взаимных соединений. Ограничения по размеру и площади могут повлиять на величину электрического сопротивления и надежность взаимных соединений.
Кроме того, батарея может содержать жидкий электролит, который может закипать при высокой температуре. Данное ограничение может прямо конкурировать с необходимостью применять паяное взаимное соединение, которое может плавиться, например, при относительно высоких температурах, таких как 250 градусов Цельсия. Хотя в некоторых примерах химические составляющие батареи, включающие в себя электролит, и источник тепла, применяемый для образования паяных взаимных соединений, могут быть пространственно отделены друг от друга. В случаях перспективных биомедицинских устройств малый размер может препятствовать разделению электролита и паяных взаимных соединений расстоянием, достаточным для уменьшения проводимости.
Компоненты модульной батареи
В некоторых примерах можно образовать 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 снижать потребность 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. Более 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 сборки. Полученный компонент модульной батареи можно использовать в различных конструкциях вкладыша-субстрата, которые не имеют соответствующей жесткой области, на которой можно было бы образовать компоненты батареи; а еще в одном дополнительном примере применение компонентов модульной батареи может облегчить применение разных вариантов технологий изготовления, отличных от тех, которые могли бы быть использованы в ином случае, таких как рулонная («рулон за рулоном») технология, листовая («лист за листом») технология, печать, литография и ракельная печать. В некоторых примерах модульной батареи аспект дискретной герметизации 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 тех случаях, когда параметры имеющегося пространства требуют свести к минимуму 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 жестких уплотнений. В некоторых примерах эти уплотнения могут быть герметичными. При разделении активных компонентов батареи на герметично запаянные сегменты, которые обычно могут иметь форму трубок, могут быть получены многочисленные преимущества. Батареи трубчатой формы с внешними компонентами, изготовленными 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 образованы между материалами, можно рассматривать как «герметичные», поскольку диффузия молекул через уплотнение может быть ниже спецификации по 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 котором 50% объема устройства замещается воздухом, забираемым снаружи уплотнения. Трубчатая батарея большого размера может быть образована с применением одного или более способов, которые будут описаны в последующих разделах описания, где может быть измерен низкий уровень утечки для определения герметичности уплотнения для данной батареи. На практике малоразмерные трубчатые батареи, или микробатареи, например батареи в соответствии с настоящим описанием, в некоторых примерах могут иметь объем порядка 10-4 см3. Способность оборудования для обнаружения утечек измерять достаточно низкую скорость утечки для установления того, что уплотнение микробатареи является «герметичным», может быть недостижимой для применяемой в настоящее время технологии обнаружения утечки; тем не менее уплотнение микробатареи можно назвать герметичным, поскольку одинаковая обработка и применение одних и тех же материалов применительно к батарее большого размера приводят к значительно меньшей скорости утечки, достаточно низкой для того, чтобы считать обработку уплотнения и материалы «герметичными».
На Фиг. 2А показан основной пример батареи трубчатой формы с основным металлическим корпусом с изолятором батареи 200. В примере два металлических компонента, анодный контакт 211 и катодный контакт 221, формируют металлические трубки, которые окружают материал. Химические составляющие 212 анода могут быть размещены внутри анодного контакта 211. Химические составляющие 222 катода могут быть размещены 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 с образованием функционализированной батареи, поскольку их электрическое соединение может привести к истощению химических составляющих батареи. В основном примере на Фиг. 2А изолятор 230 электрически разделяет анод и катод.
Как показано, изолятор 230 может представлять собой физический элемент, который самостоятельно выступает в качестве герметизатора материала внутри батареи и в качестве части диффузионного барьера для предотвращения переноса химических составляющих в батарею или из нее. В последнем разделе представлено описание различных типов уплотнений, включая герметичные уплотнения, и методики их формирования. Примеры уплотнений в примере на Фиг. 2А могут представлять собой металлические, керамические или металлостеклянные уплотнения. В примере на 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, аналогичной структуре для устройства на 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 в примере на 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 применяются твердые материалы, которые значительно блокируют диффузию молекул и атомов через их границу. В случае герметичных уплотнений в уплотнении 281 и уплотнении 282 может быть получена полностью герметичная батарея трубчатой формы.
На Фиг. 3 показан другой пример батареи трубчатой формы. В перекрывающейся батарее 300 трубчатой формы металлическая банка либо над анодом, либо над 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 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 химические составляющих; причем в некоторых примерах физическая форма может быть похожа на показанную, а фактические химические составляющие в других примерах могут представлять собой пленки, которые покрывают часть пространства. В примере перекрывающейся батареи 300 трубчатой формы может быть показано максимальное число 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. Пример анодной области 410 может включать в себя металлический контакт 411 анода и химические составляющие 412 анода. Уплотнение 431 центрального изолирующего элемента 430 может быть изготовлено с металлическим контактом 411 анода. В примере 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. Батарея с таким расположением может быть сформирована в виде трубчатой микробатареи, и расположение может обеспечить наибольшую область поперечного сечения сепаратора 550, взаимодействующего с химическими составляющими 512 анода и химическими составляющими 522 катода и разделяющего их. На изображении 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 образован с отверстиями на одном конце для анодного и катодного контактов, в некоторых других примерах могут применяться два или более изолирующих элементов, где верхний элемент может представлять собой отдельный элемент с отверстиями для анодного и катодного контактов. На изображении 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, такого как стекло или керамика, 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 610 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, 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, такого как латунь, которая может быть покрыта цинком 620. Провод может быть окружен и герметизирован уплотняющим материалом 622.
В последующих разделах описано множество типов уплотнений, многие примеры которых соответствуют показанному уплотняющему материалу 622. На Фиг. 6D для формирования катодного контакта может применяться другая металлическая проволока 630. В некоторых примерах металлическая проволока может представлять собой титановую проволоку. Проволоку может окружать осажденный 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 области анода до области катода. Фитиль 641 может быть расположен в объеме электролита 640, помещенного в трубку. В некоторых примерах электролит может представлять собой водный раствор, такой как раствор ZnCl2. В некоторых других примерах электролит может представлять собой полимерный электролит. Некоторые аспекты разных вариантов электролита описаны 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 множество типов 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 сравнении с физическим разделением, показанным 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 адгезива трубчатой формы с обоих концов. Адгезив трубчатой формы может находиться частично внутри трубчатого изолирующего контейнера батареи и также может выступать частично за пределы контейнера батареи. В некоторых примерах адгезивы могут приклеивать и герметизировать проводные выводы и изолирующий контейнер. Изолирующий адгезив может содержать текучие среды батареи и предотвращать утечку текучих сред наружу. Адгезив может быть термореактивным, термопластичным или может представлять собой комбинацию этих двух видов.
На Фиг. 7 показан пример батареи трубчатой формы, которая включает в себя катодный контакт в форме проволоки. Пример может содержать две трубки, одну полую трубку 711 и одну трубку 710 в форме банки, которые вместе могут формировать анодный контакт. Химические составляющие 715 анода могут быть осаждены или другим образом помещены внутрь трубки 710 в форме банки. В некоторых примерах химические составляющие 715 анода могут включать в себя нанесенный цинк. Трубка 710 в форме банки может быть герметизирована относительно полой трубки 711 с помощью уплотнения 720 «металл-металл». В примере может применяться 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 можно сформировать катодный контакт. В некоторых примерах металлическая проволока 740 может быть образована из титана. Керамический изолирующий элемент 760 может формировать электрическую изоляцию между катодом, образованным из металлической проволоки 740, и анодным контактом, изготовленным из комбинации полой трубки 711 и трубки 710 в форме банки. Между полой трубкой 711 и керамическим изолирующим элементом 760 может быть образовано уплотнение 761 «керамика-металл». Кроме того, между керамическим изолирующим элементом и металлической проволокой 740 может быть образовано уплотнение 762.
На Фиг. 8 показан еще один пример батареи трубчатой формы, включающей в себя катодный контакт в форме проволоки и анодный контакт в форме 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 показанном 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 уплотнения 830 «металл-металл». В примере может применяться металлическая проволока 850, которая может быть покрыта химическими составляющими катода, которые показаны с осажденным слоем 860. В некоторых примерах химические составляющие катода могут включать в себя нанесенный диоксид марганца. С помощью металлической проволоки может быть сформирован катодный контакт. В некоторых примерах металлическая проволока может быть образована из титана. Керамический изолирующий элемент 870 может формировать электрическую изоляцию между катодом, образованным из металлической проволоки 850, и второй полой трубкой 840. На другой стороне примера батареи может находиться проволока анодного контакта, образованная из проволоки из цинка 820, которая может быть изолирована с помощью второго керамического изолирующего элемента 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 также 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 другой пример батареи трубчатой формы, включающей в себя легированный полупроводник. Применение легированных полупроводников может позволить значительно снизить величину герметизируемой кромки, которая требуется в батарее, поскольку электрический контакт осуществляется через трубку с помощью высоколегированной области. Нелегированные области могут формировать изоляторы между анодной и катодной областями. Для возможности производства батарея может быть сформирована из двух высоколегированных на концах элементов полупроводника в форме 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 этого может быть получен контакт с низким сопротивлением, который не имеет швов. Если шов 930 «полупроводник-полупроводник» размещен в области сепаратора, перекрытие внутренней химической составляющей со швом может быть очень незначительным. Показанный на Фиг. 9 пример устройства 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 показанном 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 легирована с помощью 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 примере может применяться металлическая пленка 975, которая может быть покрыта химическими составляющими катода, как показано с осажденным слоем 940. В некоторых примерах химические составляющие катода могут включать в себя нанесенный диоксид марганца. Высоколегированная область 970 может формировать электрический контакт через вторую полую полупроводниковую банку 950, и он может иметь наружный металлический осажденный слой с образованием катодного контакта 965.
Внутренние уплотнения элемента батареи
В некоторых примерах элементов батареи для применения в биомедицинских устройствах химическое действие батареи включает в себя водную химическую составляющую, где вода или влага представляет собой важное составляющее для контроля. Следовательно, может быть важно встраивать уплотняющие механизмы, которые ограничивают или предотвращают перемещение влаги либо наружу, либо в корпус батареи. Барьеры для защиты от влаги могут быть выполнены с возможностью поддержания уровня внутренней влажности на расчетном уровне в пределах некоторых допустимых отклонений. В некоторых примерах барьер для защиты от влаги может быть разделен на две секции или компонента, а именно изолирующую оболочку и уплотнение.
Изолирующей 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 практически нулевой WVTR могут быть стекло и металлическая фольга, а также керамические и металлические элементы. С другой стороны, пластик может быть по сути пористым и может пропускать влагу, и это свойство может значительно различаться у разных типов пластика. Как правило, конструкционные материалы, ламинаты или коэкструдаты могут быть гибридами обычных материалов изолирующей оболочки.
Уплотнение может служить разделом между двумя поверхностями изолирующей 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 и ширины уплотнения, а также от адгезии или близости уплотнения к подложкам изолирующей оболочки.
В некоторых примерах уплотнения могут быть образованы по способу сварки, который может включать в себя термическую, лазерную, фрикционную, ультразвуковую или электродуговую сварку, а также сварку растворителем. В других примерах уплотнения могут быть образованы путем применения адгезивных герметиков, таких как клеи, эпоксидные и акриловые смолы, натуральный каучук, синтетический каучук, смолы, гудроны или битумы. Другие примеры могут быть связаны с использованием уплотнительного материала, который может быть образован 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 может представлять собой комбинацию термореактивного и термопластичного материалов.
В некоторых примерах батареи в соответствии с настоящим изобретением могут быть выполнены с возможностью обеспечения установленного срока эксплуатации. Срок эксплуатации можно оценить путем определения практического объема влагопроницаемости, который можно получить с помощью конкретной системы батареи, а впоследствии путем оценки того, когда такая утечка влаги сможет привести к окончанию срока службы батареи. Например, если батарея хранится во влажной 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 среде, это может значительно сократить ожидаемый срок службы вследствие ускоренной потери влаги.
Уплотнители металл/металл, металл/стекло, металл/керамика, стекло/стекло, полупроводник/полупроводник и металл/полупроводник
Могут применяться многочисленные средства для формирования герметичной или хорошо запечатанной границы между твердыми материалами, которые могут выступать в качестве герметизатора для химической составляющей батареи. Типовые средства для формирования надлежащей герметичной механической связи между твердыми материалами включают в себя низкотемпературную пайку, высокотемпературную пайку и сварку. Эти способы можно рассматривать как в основном 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, могут заключаться 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. Более конкретно, как при высокотемпературной пайке, так и при низкотемпературной пайке может применяться температура, которая выше температуры ликвидуса материала-наполнителя, но ниже температуры солидуса обоих базовых материалов. Основное различие между высокотемпературной пайкой и низкотемпературной пайкой может заключаться в конкретной применяемой температуре. Например, если применяемая температура ниже 450°C, способ можно назвать низкотемпературной пайкой, и способ можно назвать высокотемпературной пайкой, если применяемая температура выше 450°C. Однако при сварке может применяться температура, которая выше ликвидуса материала-наполнителя и базовых материалов.
Каждый из вышеупомянутых способов может применяться для разнообразных комбинаций материалов, а конкретные комбинации материалов могут быть связаны вместе с применением более чем одного из этих способов. Оптимальный выбор среди этих способов соединения двух материалов вместе может определяться любым числом характеристик, включая, без ограничений, конкретные свойства материала и температуры ликвидуса требуемых материалов, другие термические свойства требуемых связующих 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, применяемые для соединения двух материалов вместе, могут включать в себя чистые металлы, такие как золото, серебро, индий и платина. Они также могут включать в себя сплавы, такие как 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, такие как титановые активные сплавы для высокотемпературной пайки, которые могут включать в себя золото, медь, никель, серебро, ванадий или алюминий. Могут применяться и другие материалы для высокотемпературной пайки, которые могут соответствовать потребностям в герметизации, упомянутым в настоящем описании.
Разные 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 образован уплотнитель «металл-металл». Все из низкотемпературной пайки, высокотемпературной пайки и сварки представляют собой способы, очень часто используемые для связывания типа металл/металл. Поскольку свойства материала для различных металлов могут значительно различаться для разных металлов, температура ликвидуса металла, как правило, может быть решающей характеристикой, причем способ, применяемый для связывания с требуемым металлом, например с базовым металлом, может иметь такую низкую температуру ликвидуса, что он быстро расплавится при температурах высокотемпературной пайки, или базовый металл может иметь настолько высокую температуру ликвидуса, что он химически не реагирует на температуры высокотемпературной пайки с образованием надлежащего соединения.
В примере другого типа может быть образован уплотнитель «металл-стекло» (или «стекло-металл»). Вследствие неоднородности металла и стекла как материалов типовые способы связывания типа металл/металл могут не обеспечивать связывание металлов со стеклом. Например, типовые материалы-наполнители, применяемые при низкотемпературной пайке типа металл/металл, могут хорошо связываться с металлом, но могут не реагировать со стеклом для связывания с его поверхностью при термической обработке. Одной возможностью решения 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 их сильное связывание с неорганическими материалами. Эпоксидная смола может быть легким и недорогим средством для нанесения между материалами благодаря возможности универсального склеивания со многими типами поверхностей. Эпоксидные смолы можно легко отверждать одинаково успешно до или после нанесения с помощью многих способов, таких как смешивание химических веществ, которые затем быстро наносят, тепловое, световое или другие типы излучения, которые передают энергию в эпоксидную смолу, индуцируя реакцию связывания/отверждения, или с помощью других способов. Многие разные типы эпоксидных смол могут иметь разную привлекательность для разных вариантов применения в зависимости от множества разных свойств, включая, без ограничений, прочность сцепления, легкость применения, способ отверждения, время отверждения, связующие материалы и многие другие. Для достижения действительно герметичного уплотнения с помощью эпоксидной смолы необходимо учитывать скорости 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 уплотнителя в отличие от менее электропроводных материалов, которые необходимы для других типов связывания или создания герметичного уплотнения. Однако эпоксидные уплотнители, 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 образован уплотнитель «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 материалами. Они могут включать в себя способ нанесения молибден-марганец/никелевого покрытия, где 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 значений толщины слоя, а иногда наносят множество слоев. Этот способ имеет много преимуществ, включая широкое разнообразие возможных металлов для использования, а также скорость и подтвержденный постоянный успех при работе со стандартными материалами. Однако имеются и недостатки, в том числе необходимость применения специализированного PVD-оборудования для нанесения покрытий, необходимость в применении сложных методик маскирования, если требуется маскирование, и геометрические ограничения с керамикой, которые могут препятствовать достижению однородных толщин покрытия. PVD-слой может включать в себя такие составляющие, как титан, цирконий и гафний, а в некоторых примерах может иметь толщину от 100 нанометров до 250 нанометров. В некоторых примерах может быть осажден электрохимически неактивный надслой, содержащий в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, такие составляющие, как золото, палладий, платина или серебро.
Связывание материалом Nanofoil®
Коммерчески доступный продукт под названием Nanofoil® представляет собой нанотехнологический материал, производимый компанией Indium Corporation, который может являться важным примером, когда может потребоваться герметизация металлической, керамической и/или полупроводниковой оболочки для батарей. В некоторых примерах может быть желательно, чтобы любые тепловые эффекты при формировании уплотнителя были по возможности максимально локализованы в самом уплотнителе. Композитные материалы, такие как материал Nanofoil®, могут обеспечить значительную термическую локализацию с формированием герметично связанных уплотнителей. Композитные пленки типа Nanofoil® могут быть изготовлены из сотен или тысяч пленок на уровне наномасштаба. В примере реактивную многослойную фольгу изготавливают путем парового осаждения тысяч чередующихся слоев алюминия (Al) и никеля (Ni). Эти слои могут иметь толщину несколько нанометров. При активации небольшим импульсом локальной энергии из электрических, оптических или тепловых источников фольга реагирует экзотермически. Полученная экзотермическая реакция передает измеримое количество энергии за тысячные доли секунд с нагревом на поверхностях до очень высоких локальных температур, но может быть сконструирована таким образом, чтобы не доставлять все количество энергии, которое увеличивало бы температуру в герметизируемых металлических, керамических или полупроводниковых элементах. На Фиг. 10А выделена часть уплотнителя 830 от батареи, показанной на Фиг. 8. На Фиг. 10В приведен пример слоев, которые относятся к уплотнению перед активацией 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 размещен фрагмент материала 1020 Nanofoil®. При активации материала Nanofoil® он может локально расплавлять слои припоя и формировать уплотнитель 830. На изображении представлено соединение встык, но возможно применение многих других соединительных структур, включая конфигурации с перекрытием, конфигурации с пазами и другие типы соединений, где фрагмент Nanofoil может быть размещен между двумя герметизируемыми поверхностями, которые имеют поверхностное покрытием припоем.
Герметизация с помощью S-Bond®
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 связывания 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 на них. Когда этот поверхностный оксид разрушается, происходят реакции активного материала с поверхностными областями связующего материала/уплотнителя. Оксид может быть разрушен в результате процессов 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 образом. 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 применяться в некоторых примерах с образованием поверхности раздела, которую можно припаять. Материал S-Bond® 220M может быть осажден на кремниевую поверхность, подлежащую связыванию/герметизации, при температурах от 115 до 400oC. Таким образом, имеющие форму банки фрагменты кремния могут быть сильно легированы на закрытом конце либо путем применения легированных пленок, таких как POCl, путем имплантации, либо путем применения других средств легирования. Другие средства могут включать в себя окисление корпуса полупроводника, а затем химическое травление оксида в областях, где требуется легирующая примесь. Впоследствии легированные области можно подвергать воздействию титана и нагревать с образованием силицида. Области кремниевых банок, которые применяются для образования уплотнителей, 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 уплотнителя для последующей активации. Химическая составляющая батареи, электролит и другие структуры могут образовывать половины банки, а затем 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 по безопасности. Толщина компонента батареи может являться важным и ограничивающим параметром. Например, в сфере применения оптической линзы от толщины биомедицинского устройства может в значительной мере зависеть способность устройства обеспечивать комфорт при ношении пользователем. Поэтому могут иметься важные аспекты проектирования батареи, позволяющие получать их более тонкими. В некоторых примерах толщина батареи может определяться совокупными значениями толщины 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 особенностей, связанных с химической совместимостью, проницаемостью для влаги/газа, обработки поверхности и совместимости с покрытиями, которые можно осаждать на слои пленки.
В некоторых примерах требуемая, или целевая, толщина готового компонента батареи может представлять собой толщину компонента, которая составляет менее 220 мкм. В этих примерах эта требуемая толщина может быть обусловлена трехмерной геометрией примера устройства офтальмологической линзы, где может потребоваться посадка компонента батареи внутрь доступного объема, образуемого формой гидрогелевой линзы, с учетом определенного уровня комфорта для 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. Другая важная конструктивная особенность итоговой конфигурации компонента батареи может относиться к объему, доступному для активных химических веществ и материалов конкретной батареи, с учетом определенной конфигурации компонента батареи в отношении получаемой химической энергии, которая может стать результатом такой конфигурации. Впоследствии эта итоговая химическая энергия может быть сбалансирована для выполнения требований 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 подачи питания или батареи настоящего изобретения. В целом требование к ширине батареи может быть преимущественно обусловлено сферой ее применения. В примере случая система батареи контактной линзы может иметь ограничения по техническим требованиям 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. Примеры элементов батареи 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 равен 8,50 мм, а угол касательной к сфере определенного диаметра можно задать (например, диаметр приблизительно 8,40 мм), то геометрия может определять допустимую ширину батареи. Существуют геометрические модели, которые могут использоваться для расчета требуемых технических характеристик для полученной геометрической формы, которая в некоторых примерах может называться усеченным конусом, развернутым в виде сектора кольцевой зоны.
Ширина развернутой батареи может быть обусловлена двумя компонентами элемента батареи: активными компонентами батареи и шириной уплотнителя. В некоторых примерах, относящихся к офтальмологическим устройствам, целевая толщина может находиться в диапазоне 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 по конфигурации, но принципы для гибких плоских элементов батареи могут применяться аналогичным образом.
Гибкость модуля батареи
Другим критерием соответствия конфигурации батареи и конфигурации связанных устройств, в которых используются источники энергии на основе батарей, является гибкость компонента батареи. Имеется множество преимуществ, обеспечиваемых гибкими формами батареи. Например, гибкий модуль батареи может облегчить вышеупомянутую возможность изготовления батареи двухмерной (2D) плоской формы. Впоследствии гибкость формы может допускать преобразование двухмерной батареи в соответствующую трехмерную (3D) форму для установки в биомедицинское устройство, такое как контактная линза.
В другом примере преимуществ, которые могут обеспечиваться гибкостью модуля батареи, показано, что если батарея и последующее устройство являются гибкими, то могут иметься преимущества, связанные с применением устройства. В примере форма контактной линзы биомедицинского устройства может иметь преимущества с точки зрения вставки/извлечения контактной линзы на основе вкладыша-субстрата, что может больше напоминать вставку/извлечение стандартной незаполненной гидрогелевой контактной линзы.
Число изгибаний может быть важно 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 изгибания 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 типоразмеры батареи могут быть цилиндрическими формами или прямоугольными призмами, изготовленными из металла, и их можно использовать в изделиях, которые требуют больших количеств энергии в течение длительных периодов времени. Эти сферы применения предполагают достаточно большие размеры, чтобы они могли содержать батареи с крупным типоразмером. В другом примере плоские (2D) твердотельные батареи представляют собой тонкие прямоугольные призмы, обычно образованные на жестком кремнии или стекле. В некоторых примерах эти плоские твердотельные батареи могут быть образованы с применением технологий обработки кремниевых пластин. Другие типоразмеры батарей, маломощные, но гибкие батареи, можно образовывать в виде пакетов с применением тонкой фольги или пластика, которые содержат химические составляющие батареи. Эти батареи можно сделать плоскими (2D), и они могут быть выполнены с возможностью функционирования при умеренной внеплоскостной кривизне (3D).
В некоторых примерах сфер применения батареи в соответствии с настоящим изобретением, где батарею можно использовать в линзе с изменяемыми оптическими свойствами, типоразмер может потребовать создания трехмерной кривизны компонента батареи, где радиус этой кривизны может составлять порядка приблизительно 8,4 мм. Характер такой кривизны может считаться относительно резким и, для сравнения, может приближаться к типу кривизны кончика пальца человека. Характер относительно резкой кривизны создает сложные аспекты 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 с относительно большой кривизной.
Сепараторы элементов батареи
В батареях типа, описанного в настоящем изобретении, может использоваться материал сепаратора, который физически и электрически отделяет участки анода и анодного токоотвода от участков 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 число коммерчески доступных материалов сепаратора, новый типоразмер настоящего изобретения может предполагать уникальные ограничения при решении проблемы выбора, обработки и использования сепаратора.
Поскольку конфигурации настоящего изобретения могут иметь сверхтонкие профили, выбор может быть ограничен наиболее тонким из имеющихся материалов сепаратора. Например, могут быть желательны сепараторы толщиной приблизительно 25 мкм. Некоторые примеры, которые могут обеспечивать преимущества, могут иметь толщину около 12 мкм. Существует множество приемлемых коммерческих сепараторов, включая разделительные мембраны из однослойного микроволокнистого, микропористого полиэтилена и/или трехслойные разделительные мембраны из полипропилен-полиэтилен-полипропилена (ПП/ПЭ/ПП), такие как производимые компанией Celgard (г. Шарлотт, штат Северная Каролина, США). Желательным примером материала сепаратора может являться трехслойная мембрана Celgard M824 ПП/ПЭ/ПП, имеющая толщину 12 мкм. Альтернативные примеры материалов сепаратора, подходящих для примеров настоящего изобретения, могут включать в себя разделительные мембраны, содержащие регенерированную целлюлозу (например, целлофан).
Несмотря на то что трехслойные разделительные мембраны ПП/ПЭ/ПП могут обеспечивать преимущества из-за толщины и механических свойств, благодаря их полиолефиновым свойствам они также могут иметь ряд недостатков, которые необходимо преодолеть для того, чтобы их можно было использовать для примеров настоящего изобретения. Рулонные или листовые трехслойные материалы сепаратора ПП/ПЭ/ПП могут иметь многочисленные складки или другие нарушения формы, которые могут быть крайне нежелательными для допусков на уровне микронов, применимых к батареям, описанным в настоящем документе. Более того, полиолефиновые сепараторы может быть необходимо разрезать с высокой точностью для включения в настоящие конфигурации, что, следовательно, может предполагать лазерную резку в качестве примера способа формирования отдельных токоотводов желательных форм с жесткими допусками. Вследствие полиолефиновых свойств этих сепараторов некоторые лазерные резаки, используемые для микропроизводства, которые могут использовать длины волн лазера, например, 355 нм, не смогут разрезать полиолефины. Полиолефины не поглощают энергию лазерного излучения в ощутимых количествах и, таким образом, не подвергаются лазерному разрушению. Наконец, полиолефиновые сепараторы по своей сути не могут смачиваться водными растворами электролитов, которые применяются в батареях, описанных в настоящем документе.
Тем не менее могут существовать 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 сепаратора, может требоваться, чтобы мембрана была плоской и не имела складок. При невыполнении этих двух условий невозможно полностью разрезать разделительную мембрану, так как режущий луч может ослабляться в результате нарушения фокусировки или иного рассеивания падающей лазерной энергии. Кроме того, если разделительная мембрана не является плоской и имеет складки, невозможно в достаточной мере достичь точности формы и соответствия геометрическим допускам разделительной мембраны. Допустимые отклонения для сепараторов в текущих примерах могут, например, составлять +0 мкм и -20 мкм в отношении характеристических длин и/или радиусов. Могут обеспечиваться преимущества более жестких допусков +0 мкм и -10 мкм и дополнительно допусков +0 мкм и -5 мкм. Сырьевой материал сепаратора можно сделать плоским и не имеющим складок путем временного ламинирования материала на носителе из флоат-стекла с помощью соответствующей низколетучей жидкости. Низколетучие жидкости могут иметь преимущества по сравнению с временными адгезивами вследствие хрупкости разделительной мембраны и вследствие объема времени на обработку, которое может потребоваться для высвобождения разделительной мембраны из слоя адгезива. Более того, в некоторых примерах получение плоской и не имеющей складок разделительной мембраны на флоат-стекле с применением жидкости оказалось гораздо более простым, 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 приемлемой 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 носителе из флоат-стекла можно применять разнообразные низколетучие жидкости, к жидкости могут применяться конкретные требования для облегчения последующей лазерной резки отдельных форм сепаратора. Одним требованием может быть наличие у жидкости достаточно низкого поверхностного натяжения, чтобы она проникала в поры материала сепаратора, в чем можно легко убедиться путем визуальной проверки. В некоторых примерах материал сепаратора меняет цвет с белого на прозрачный, когда жидкость заполняет микропоры материала. Может быть желательно выбрать жидкость, которая может быть благоприятной и «безопасной» для рабочих, которые будут выполнять операции подготовки и резки сепаратора. Может быть желательно выбрать жидкость, давление паров которой будет достаточно низким, чтобы не происходило заметного испарения в период обработки (порядка 1 суток). Наконец, в некоторых примерах жидкость может иметь достаточную сольватирующую способность, чтобы растворять преимущественные УФ-поглотители, что может облегчить операцию лазерной резки. В одном примере было обнаружено, что 12-процентный (вес./вес.) раствор УФ-поглотителя авобензона в растворителе бензилбензоате может удовлетворять вышеуказанным требованиям и может быть пригоден для облегчения лазерной резки полиолефиновых сепараторов с высокой точностью и в пределах допусков через небольшие промежутки времени без избыточного числа проходов луча лазерного резака. В некоторых примерах сепараторы можно резать с помощью твердотельного лазера 8 В 355 нм с диодной накачкой и наносекундными импульсами с применением этого подхода, где лазер может быть настроен на низкую мощность затухания (например, мощность 3 процента), среднюю скорость от 1 до 10 мм/с и только от 1 до 3 проходов лазерного луча. Хотя подтверждено, что эта УФ-поглощающая маслянистая композиция является эффективным вспомогательным средством при ламинировании и резке, специалисты в данной области могут без ограничений использовать другие маслянистые составы.
В некоторых примерах сепаратор можно разрезать закрепленным на флоат-стекле. Одно преимущество лазерной резки сепараторов, закрепленных на носителе из флоат-стекла, может заключаться в том, что из одного сырьевого листа сепараторов можно вырезать очень большое число сепараторов, а также в том, что полупроводниковый кристалл можно плотно разместить на кремниевой пластине. Такой подход может обеспечить преимущества экономии на масштабе и параллельной обработки, характерные для полупроводниковых способов. Более того, можно свести к минимуму образование некондиционных разделительных мембран. После разрезания сепараторов маслянистую вспомогательную текучую среду можно удалить путем многостадийной экстракции с помощью смешивающихся растворителей, причем в некоторых примерах последнюю экстракцию можно выполнить с помощью высоколетучего растворителя, такого как изопропиловый спирт. Отдельные сепараторы после экстракции можно хранить неопределенное количество времени в любой подходящей среде с низким содержанием частиц.
Как упомянуто ранее, 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, сепараторы можно обрабатывать в течение 1-5 минут 100-процентной кислородной плазмой в широком диапазоне настроек мощности и значений расхода кислорода. Хотя этот подход может улучшить смачиваемость на некоторое время, может быть хорошо известно, что модификации поверхностей плазмой обеспечивают лишь временный эффект, который не может длиться достаточно долго для надежного смачивания растворами электролита. Другой подход к улучшению смачиваемости разделительных мембран может заключаться в обработке поверхности путем встраивания на мембрану приемлемого 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, придаваемой в результате обработки кислородной плазмой, может заключаться в последующей обработке приемлемым гидрофильным органосиланом. Таким образом, кислородную плазму можно применять для активации и обеспечения функциональных групп по всей площади поверхности микропористого сепаратора. Впоследствии органосилан может ковалентно связываться и/или нековалентно приклеиваться к поверхности, обработанной плазмой. В примерах, в которых применяется органосилан, характерная пористость микропористого сепаратора может не претерпеть заметных изменений; однослойное покрытие поверхности также может быть возможным и желательным. Известные в данной области способы встраивания поверхностно-активных веществ в сочетании с полимерными покрытиями могут требовать строгого контроля за фактическим количеством покрытия, нанесенного на мембрану, и могут проявлять технологическую нестабильность. В крайних случаях поры сепаратора могут закупориваться, таким образом негативно воздействуя на функциональность сепаратора в процессе эксплуатации электрохимического элемента. Примером органосилана, используемого для настоящего изобретения, может быть (3-аминопропил)триэтоксисилан. Специалистам в данной области могут быть известны и другие гидрофильные органосиланы, которые можно применять без ограничения.
Еще один способ обеспечения смачиваемости разделительных мембран водными электролитами может заключаться во встраивании приемлемого поверхностно-активного вещества в состав электролита. Одним фактором 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, путем повышения полного электрического сопротивления элемента. В некоторых случаях поверхностно-активные вещества могут иметь преимущественные антикоррозионные свойства, в особенности в случае присутствия цинковых анодов в водных электролитах. Известно, что цинк может быть примером материала, который медленно реагирует с водой с выделением газообразного водорода, что может быть нежелательно. Специалистам в данной области могут быть известны множество поверхностно-активных веществ, ограничивающих скорости указанной реакции до обеспечивающих преимущества 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 сепаратора 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 интегрированы в трубчатую микробатарею путем непосредственного помещения в участок одной из сторон трубчатого узла.
Полимеризованные сепараторы элементов батареи
В некоторых конфигурациях батарей применение отдельного сепаратора (как описано в предыдущем разделе) может быть исключено вследствие различных 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 сепаратора может заключаться в применении УФ-отверждаемых гидрогелевых составов. В разных отраслях, например в отрасли производства контактных линз, известны множество водопроницаемых гидрогелевых составов. Примером гидрогеля, широко применяемого в отрасли производства контактных линз, может быть поперечно-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 в геле pHEMA в гидратированном состоянии составляет приблизительно 30-40 процентов, а модуль упругости - около 100 фунтов/кв. дюйм или более. Более того, специалист в данной области может регулировать свойства содержания влаги и модуль упругости поперечно-сшитых гидрогелей путем встраивания дополнительных гидрофильных мономерных (например, метакриловой кислоты) или полимерных (например, поливинилпирролидона) компонентов. Таким образом, содержание влаги и, более конкретно, ионную проницаемость гидрогеля можно регулировать путем изменения состава.
В некоторых примерах особым преимуществом является то, что пригодный для литья и полимеризации состав гидрогеля может содержать один или более разбавителей для облегчения обработки. Летучесть разбавителя выбирают так, чтобы пригодную для литья 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, такого как 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 преимущественные эффекты снижения поверхностного натяжения, в особенности в случае, когда в состав встроены высокополярные мономеры. Другим аспектом, который может быть важен для получения равномерного слоя полимеризуемого материала в полости, может быть рабочая вязкость. Обычные реактивные мономеры с низкой молярной массой, как правило, не обладают очень высокими значениями вязкости, которые могут составлять, как правило, лишь несколько сантипуаз. В попытке обеспечить эффективный контроль вязкости пригодного для литья и полимеризации материала сепаратора 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 быть приемлемы для встраивания в примеры составов, могут включать в себя поливинилпирролидон и полиэтиленоксид.
В некоторых примерах пригодный для литья и полимеризации сепаратор можно преимущественно поместить в сформированную полость, как описано ранее. В альтернативных примерах полость может отсутствовать во время полимеризации. Вместо этого состав пригодного для литья и полимеризации сепаратора можно нанести на подложку, содержащую электрод, например, из оцинкованной латуни, а затем подвергнуть актиничному излучению с применением фотомаски для избирательной полимеризации материала сепаратора в целевых областях. Впоследствии непрореагировавший материал сепаратора можно удалить путем воздействия соответствующих промывающих растворителей. В этих примерах материал сепаратора можно обозначить как фотоструктурируемый по шаблону сепаратор.
Многокомпонентные составы сепаратора
Сепаратор, используемый в соответствии с примерами настоящего изобретения, может обладать рядом свойств, которые могут быть важны для его функционирования. В некоторых примерах может быть желательно сформировать сепаратор таким образом, чтобы создать физический барьер, так что слои с каждой стороны сепаратора физически не будут контактировать друг с другом. Следовательно, слой может обладать важной характеристикой равномерной толщины, так как, хотя тонкий слой и может быть желателен по многим причинам, существенным может быть наличие слоя без пустот и зазоров. Кроме того, желательно, чтобы тонкий слой мог обладать высокой проницаемостью, допускающей свободный ток ионов. Кроме того, для сепаратора требуется оптимальное поглощение воды для оптимизации механических свойств сепаратора. Таким образом, состав может содержать поперечно-сшивающий компонент, гидрофильный полимерный компонент и компонент растворителя.
Поперечно-сшивающий агент может представлять собой мономер с двумя или более полимеризуемыми двойными связями. Подходящие поперечно-сшивающие агенты могут представлять собой композиции с двумя или более полимеризуемыми функциональными группами. Примеры приемлемых гидрофильных поперечно-сшивающих агентов также могут включать в себя композиции, имеющие две или более полимеризуемые функциональные группы, а также гидрофильные функциональные группы, такие как простая полиэфирная, амидная или гидроксильная группы. Конкретные примеры могут включать в себя тетраэтиленгликольдиметакрилат (TEGDMA), триэтиленгликольдиметакрилат (TrEGDMA), этиленгликольдиметакрилат (ЭГДМА), этилендиамин, диметилакриламид, диметакрилат глицерина и их комбинации.
Количества поперечно-сшивающего агента, которые могут применяться в некоторых примерах, могут находиться в диапазоне, например, от около 0,000415 до около 0,0156 моль на 100 грамм реакционно-способных компонентов в реакционной смеси. Количество применяемого гидрофильного поперечно-сшивающего агента может по существу составлять от около 0 до около 2 процентов по весу и, например, от около 0,5 до около 2 процентов по весу. Могут быть желательны гидрофильные полимерные компоненты, способные повышать вязкость реакционной смеси и/или повышать 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 сепаратора настоящего изобретения. В некоторых примерах, не имеющих ограничительного характера, считается, что гидрофильные полимеры с высокой молекулярной массой представляют собой акцепторы водородной связи, которые в водных средах образуют водородные связи с водой и таким образом фактически становятся более гидрофильными. Отсутствие воды может способствовать введению гидрофильного полимера в реакционную смесь. Помимо конкретно указанных 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) придает смачиваемость полученному отвержденному полимеру.
В некоторых примерах гидрофильный полимер с высокой молекулярной массой может быть растворим в разбавителе при температурах обработки. Производственные процессы, в которых применяется вода или водорастворимые разбавители, такие как изопропиловый спирт (ИПС), могут являться предпочтительными примерами вследствие своей простоты и невысокой стоимости. В этих примерах также могут быть предпочтительны гидрофильные полимеры с высокой молекулярной массой, которые растворяются в воде при температурах обработки.
Примеры гидрофильных полимеров с высокой молекулярной массой могут включать в себя, без ограничений, полиамиды, полилактоны, полиимиды, полилактамы и функционализированные полиамиды, полилактоны, полиимиды, полилактамы, такие как ПВП и 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 могут включать в себя, 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 полимеры, с разветвленной цепью, многоцепочечные, гребенчатые или звездообразные), где поли-N-винилпирролидон (ПВП) может представлять собой желательный пример, где ПВП был добавлен в гидрогелевую композицию с образованием взаимопроникающей полимерной сетки, демонстрирующей низкий уровень поверхностного трения и низкий уровень дегидратации.
Также могут быть включены дополнительные компоненты или добавки, которые могут быть по существу известны в данной области. Добавки могут включать в себя, без ограничений, поглощающие ультрафиолет композиции, фотоинициаторы, такие как CGI 819, реакционно-способные краски, антимикробные 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; а затем смешивание с ПВП, ГЭМА, ЭГДМА и ИПС; и после этого отверждение полученной смеси с помощью источника тепла или воздействия фотонов. В некоторых примерах воздействие фотонов может происходить там, где энергия фотонов соответствует длине волны в ультрафиолетовой части электромагнитного спектра. Объем настоящего изобретения включает в себя другие способы инициирования полимеризации, которая по существу выполняется в реакциях полимеризации.
Взаимные соединения
Взаимные соединения могут позволять току протекать к батарее и от батареи, находящейся в соединении с внешней цепью. Такие взаимные соединения могут взаимодействовать со средами внутри и за пределами батареи и могут пересекать границу или уплотнитель между этими средами. Эти взаимные соединения можно рассматривать как дорожки, выполняющие соединения с внешней цепью, проходящие через уплотнитель батареи и впоследствии соединяющиеся с токоотводами внутри батареи. Как таковые эти взаимные соединения могут иметь несколько требований. Находящиеся за пределами батареи взаимные соединения могут быть похожи на типичные дорожки печатной платы. Они могут быть припаяны или иным образом подключены к другим дорожкам. В примере, где батарея представляет собой физический элемент, отдельный от печатной платы, содержащей интегральную схему, взаимное соединение батареи может допускать подключение к внешней цепи. Это подключение может быть образовано с помощью припоя, электропроводной ленты, электропроводных чернил, или эпоксидной смолы, или других средств. Может потребоваться, чтобы соединительные дорожки оставались сохранными в условиях среды за пределами батареи, например не ржавели в присутствии кислорода.
Поскольку взаимное соединение проходит через уплотнитель батареи, может быть чрезвычайно важно, чтобы взаимное соединение было совместимо с материалом уплотнителя и обеспечивало герметичность. Адгезия может требоваться между уплотнителем и взаимным соединением в дополнение к адгезии, которая может требоваться между уплотнителем и изолирующей оболочкой батареи. При наличии электролита и других материалов внутри батареи может требоваться поддержание целостности уплотнителя. Взаимные 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 взаимного соединения. Соответственно, может потребоваться такая конструкция взаимного соединения, которая поддерживает целостность уплотнителя.
Внутри батареи взаимные соединения могут взаимодействовать с токоотводами или могут фактически формировать токоотводы. В связи с этим может требоваться, чтобы взаимное соединение удовлетворяло описанным в настоящем документе требованиям к токоотводам, или может требоваться, чтобы образовывалось электрическое подсоединение к таким токоотводам.
Один класс потенциальных взаимных соединений и токоотводов представляет собой металлическую фольгу. Доступна такая фольга с толщиной 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 критичны 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 образуются путем осаждения металлических пленок на боковой стенке или путем применения металлических проволок в качестве подложек с образованием токоотводов и электродов. Их примеры были показаны. Тем не менее могут существовать некоторые конфигурации, в которых применяются другие конфигурации токоотвода или электрода в формате трубчатой батареи.
В некоторых примерах углеродно-цинковых элементов и элементов Лекланше катодный токоотвод может представлять собой спеченный углеродный стержень. Материал этого типа может вызывать технические сложности при создании 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 полимерные пленки или в некоторых случаях металлическую фольгу. В примерах, где изолирующая пленка может представлять собой металлическую фольгу, может требоваться, чтобы углеродные чернила защищали нижележащую металлическую фольгу от химического разрушения и/или коррозии под действием электролита. Более того, в этих примерах может требоваться, чтобы токоотвод, содержащий углеродные чернила, обеспечивал электропроводность изнутри электрохимического элемента за пределы электрохимического элемента, предполагая герметизацию вокруг углеродных чернил или через них.
Углеродные чернила также можно наносить слоями, которые имеют конечную 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 предполагать 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 выполнения требований к сопротивлению тонких батарей. Также считается, что добавление к чернилам серебра или других электропроводных металлов может снижать 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 желательно создать высокоэффективные тонкие электрохимические элементы 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 позволяющее ей выполнять требования к электрическому сопротивлению при гораздо меньшей толщине, чем печатные углеродные чернила.
В некоторых примерах одна или более трубчатых форм могут применяться в качестве подложки для электродов и токоотводов или только в качестве самих токоотводов. В некоторых примерах металлы трубчатой формы могут содержать осажденные на их поверхностях 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 осаждения индия (In). Полная толщина слоев PVD может составлять менее 500 нм. Если применяется множество слоев металлов, может быть необходима совместимость электрохимических и барьерных 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, в особенности в присутствии цинка. Соответственно, при применении меди в качестве слоя в батарее может потребоваться в достаточной степени изолировать ее от электролита батареи. Альтернативно медь можно исключить или заменить другим металлом.
Кроме того, для формирования токоотводов и/или подложек для электродов могут применяться провода, изготовленные из множества материалов. В некоторых примерах металлический проводник может проходить в изолирующий материал, такой как стекло или керамика, для обеспечения изолированного электрического контакта токоотвода. В некоторых примерах провод может быть изготовлен из титана. В других примерах могут применяться другие основные металлы, включая, без ограничений, алюминий, вольфрам, медь, золото, серебро, платину, и они могут иметь нанесенные поверхностные пленки.
Катодные смеси и осажденные покрытия
Может существовать множество химических составов катодных смесей, которые могут соответствовать принципам 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, такой как диоксид марганца, некоторую форму электропроводной добавки, которая, например, может быть формой электропроводного порошка, такого как углеродная сажа или графит, а также растворимый в воде полимер, такой как поливинилпирролидон (ПВП), или 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. Надлежащим образом составленная и смешанная катодная смесь может иметь желательные реологические свойства, которые позволяют либо дозировать ее на требуемые участки сепаратора и/или катодного токоотвода, либо аналогичным образом продавливать ее через сетку или трафарет. В некоторых примерах катодную смесь можно высушивать перед применением на последующих стадиях сборки элемента, а 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, может представлять собой, например, 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, может требоваться, чтобы EMD, используемый для батарей настоящего изобретения, имел размер частиц и распределение частиц по размеру, которые могут быть благоприятны для изготовления паст/суспензий катодной смеси, пригодных для осаждения или печати. 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 применять оптимизацию размеров частиц, чтобы улучшить рабочие характеристики батареи, например внутреннее полное сопротивление и разрядную емкость.
Помол представляет собой измельчение твердых материалов с получением из частиц среднего размера частиц меньшего размера, чем средний, с помощью дробления, толчения, нарезания, вибрации или других способов. Помол можно также применять 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 фрагменты меньшего размера путем толчения, дробления или нарезания. Может иметься несколько средств для помола и много типов материалов, обрабатываемых такими средствами. Такие средства для помола могут включать в себя, помимо прочих альтернативных вариантов помола, шаровую мельницу, бисерную мельницу, ступку и пестик, роликовый пресс и 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. Также возможно использование способов помола заполнителя для удаления или отделения загрязнений или влаги из заполнителя для получения «сухого заполнения» перед транспортировкой или структурным заполнением. В некотором оборудовании возможна комбинация разных методик сортировки твердого материала в смесь твердых частиц, размер которых ограничен как минимальным, так и максимальным размером частиц. Такая обработка может называться «сортировкой».
Помол может быть одним аспектом производства катодной смеси для равномерного распределения размеров частиц ингредиентов катодной смеси. Равномерность размера частиц в катодной смеси может способствовать достижению вязкости, реологических свойств, электропроводности и других свойств катода. Помол может способствовать достижению этих свойств путем контроля агломерирования или накопления массы ингредиентов катодной смеси. Агломерирование, то есть группировка разнородных элементов, которые в случае катодной смеси могут являться аллотропами углерода и оксидами переходных металлов, может отрицательно влиять на процесс заполнения, оставляя пустые пространства в требуемой полости катода, как показано на Фиг. 11А-11B и подробно описано ниже.
Кроме того, еще одной важной стадией удаления агломерированных или нежелательных частиц является фильтрация. Нежелательные частицы могут включать в себя частицы слишком большого размера, загрязнения или другие частицы, не включенные в явной форме в способ приготовления. Фильтрацию можно выполнять с помощью таких средств, как фильтрация фильтровальной бумагой, вакуумная фильтрация, хроматография, микрофильтрация и другие средства фильтрации.
В некоторых примерах EMD может иметь средний размер частиц 7 мкм с содержанием крупных частиц, которые могут содержать частицы 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 мкм или менее.
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 свойства являются желательными для батареи. Батареи на основе этих катодов могут иметь действительные 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 в себя 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 давать преимущества для функционирования катода в электрохимическом элементе настоящего изобретения. Если связующий полимер обладает повышенной растворимостью в применяемом электролите, то это будет препятствовать выполнению основной функции связующего вещества - обеспечению непрерывного электрического контакта - вплоть до полной потери функциональности элемента. Напротив, если связующий полимер нерастворим в применяемом электролите, участки EMD могут оказаться ионно изолированными от электролита, что приведет к ухудшению рабочих характеристик 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, приемлемых для настоящего изобретения, содержат, помимо прочих, ПВП, полиизобутилен (ПИБ), резиноподобные триблок-сополимеры, содержащие стирольные концевые блоки, такие как производимые компанией Kraton Polymers, стирол-бутадиеновые блок-сополимерные латексы, полиакриловую кислоту, гидроксиэтилцеллюлозу, карбоксиметилцеллюлозу, твердые фторуглеродные вещества, такие как политетрафторэтилен, цементы, включая портландцемент.
Одним компонентом 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. Кроме того, 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 разделению агрегированных ингредиентов катодной смеси, обеспечивая более равномерное распределение ингредиентов катодной смеси.
При производстве катода, как правило, может применяться электропроводный углерод. Углерод способен образовывать множество аллотропных или разных структурных модификаций. Разные аллотропы углерода обладают разными физическими свойствами, что приводит к вариациям электропроводности. Например, «упругость» углеродной сажи может способствовать приклеиванию катодной смеси к токоотводу. Однако в элементах подачи питания, требующих относительно малых количеств энергии, эти вариации электропроводности могут быть менее важными, чем другие благоприятные свойства, такие как, помимо других свойств, плотность, размер частиц, теплопроводность и относительная однородность. Примеры аллотропов углерода включают в себя 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 аллотропа углерода может представлять собой графит.
В некоторых примерах катод может быть осажден на стенке трубки или катодного токоотвода в форме проволоки. В некоторых примерах стенки трубки и проволоки могут быть металлическими и могут содержать химические составляющие катода, такие как электроосажденный на них диоксид марганца. В других примерах покрытия из электролитического диоксида марганца могут быть образованы на катодных токоотводах.
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. Более того, в процессе нанесения слоя цинка способом электролитического осаждения его можно нанести с формированием узора во множестве разных заданных конфигураций. Простым средством 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 нанести 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 узорную область электропроводного материала, которую можно обрабатывать цинком по способу электролитического осаждения. Несмотря на то что этот способ может обеспечить преимущество для формы или конфигурации наносимого цинка, подход может потребовать применения имеющихся фотоструктурируемых по узору материалов, которые могут иметь ограниченные свойства для общей конструкции изолирующей оболочки 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, где анодная сторона изолирующей оболочки содержит полимерную пленку или многослойную полимерную пленку, на которую нанесен зародышевый слой металла, цинк и/или растворы, применяемые для осаждения цинка, могут быть химически несовместимы с нижележащим зародышевым слоем металла. Проявления отсутствия совместимости могут включать в себя растрескивание пленки, коррозию и/или усиленное выделение H2 при контакте с электролитом элемента. В таком случае для обеспечения лучшей общей химической совместимости в системе на зародышевый металл можно нанести дополнительные металлы. Одним металлом, который может быть особенно 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 различных зародышевых слоях 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 адгезию. Таким образом достигается совместимость и устойчивость изолирующей пленки со стороны анода и прикрепленного к ней токоотвода, имеющего верхний слой из индия. В некоторых примерах может быть возможно осаждать цинк на обработанной индием поверхности, причем полученный осажденный слой может быть очень неоднородным и зернистым. Данный эффект может проявляться при более низких значениях плотности тока, например, 20 ампер на квадратный фут (А/кв. фут). Под микроскопом видно, что зерна цинка образуются на нижележащем ровном осажденном 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 нанесения цинка можно применять более низкие значения 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 нанесения. Например, плотность тока 100 А/кв. фут в условиях нанесения может привести к зернистости цинка, но размер зерен цинка может быть значительно снижен по сравнению с плотностью тока 20 А/кв. фут в условиях нанесения. Более того, число зерен может значительно возрасти при плотности тока 100 А/кв. фут в условиях нанесения. Полученная пленка цинка может в конце концов склеиваться в более или менее однородный слой лишь с некоторыми остаточными элементами зернистости с соблюдением при этом вертикального зазора около 5-10 мкм.
Дополнительным преимуществом индия в электрохимическом элементе может быть снижение образования H2, которое может представлять собой медленный процесс, происходящий в водных электрохимических элементах, содержащих цинк. Индий может быть преимущественно нанесен на один или более анодных токоотводов, на сам анод в качестве одновременно наносимого 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 наноситься на открытые цинковые поверхности, а также на участки открытого анодного токоотвода.
Цинковые и аналогичные аноды, обычно применяемые в коммерческих 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 нанесен так, как описано выше. Свойства этого анода могут существенно отличаться от свойств анодов существующих батарей, например, вследствие различий в загрязнениях или обработке поверхности, связанных с процессами механической обработки и нанесения. Соответственно, электроды и электролит могут потребовать специального конструирования, чтобы выполнять требования к емкости, полному сопротивлению и сроку хранения. Например, для оптимизации рабочих характеристик электрода могут потребоваться специальные параметры способа нанесения, композиция электролитической ванны, 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 одинаковый объем, кроме катода. В некоторых примерах электрохимическая система может требовать объем катода, превышающий объем анода приблизительно в 2-10 (два-десять) раз, вследствие существенных различий в механической плотности, плотности энергии, эффективности разряда, чистоте материала, а также наличии связующих, наполнителей и проводящих агентов.
Аспекты биосовместимости батарей
Батареи в соответствии с настоящим изобретением могут иметь важные аспекты, связанные с безопасностью и биосовместимостью. В некоторых примерах может требоваться, чтобы батареи для биомедицинских устройств выполняли требования, выходящие за рамки типовых сценариев применения. В некоторых примерах могут учитываться аспекты конфигурации, связанные со случаями нагрузки. Например, может потребоваться учесть безопасность электронной контактной линзы для случая, когда пользователь ломает линзу в процессе ее установки или снятия. 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 средах, таких как среда под водой или среда на большой высоте в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.
На безопасность такого устройства могут влиять: материалы, с применением которых или из которых образовано устройство; количество этих материалов, применяемых при изготовлении устройства; и изолирующая оболочка, наносимая для отделения устройств от среды на теле или внутри тела. В примере кардиостимуляторы могут являться обычным типом биомедицинского устройства, которое может включать в себя батарею и которое может быть имплантировано пользователю на длительный период времени. В некоторых примерах такие кардиостимуляторы, как правило, могут быть заключены в герметизированные путем сварки титановые корпусы или, в других примерах, во множество слоев оболочки. Новые биомедицинские устройства с электропитанием могут предполагать дополнительные сложности в том, что касается изолирующей оболочки, в особенности изолирующей оболочки для батарей. Эти новые устройства могут быть гораздо меньше существующих биомедицинских устройств, например, электронная контактная линза или камера-таблетка могут быть значительно меньше кардиостимулятора. В таких примерах объем и площадь, доступные для изолирующей оболочки, могут быть значительно сокращены. Преимуществом ограниченного объема может быть то, что количества материалов и химических веществ могут быть настолько малы, что неизбежно ограничивается потенциал воздействия на пользователя до уровня ниже предела безопасности.
Подход на основе трубки, в частности, когда он включает в себя герметичные уплотнители, может служить средством повышения биосовместимости. Каждый из компонентов трубки может представлять собой существенный барьер от проникновения и выхода материалов. Дополнительно 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 процентов по массе, более предпочтительно более чем 30 процентов по массе 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 нарафилконов (включая нарафилкон A и нарафилкон B) и семейства этафилконов (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 сформировать приемлемую оболочку или частичную оболочку для запечатанных и инкапсулированных вставок и должны рассматриваться в соответствии с объемом формулы изобретения и в рамках него.
Приемлемые силиконсодержащие компоненты включают в себя соединения формулы I:
,
где
R1 независимо выбирают из одновалентных реакционно-способных групп, одновалентных алкильных групп или одновалентных арильных групп, причем любая из вышеупомянутых может дополнительно содержать функциональную группу, которую выбирают 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 функциональную группу, которую выбирают из алкила, гидрокси, амино, окса, карбокси, алкилкарбокси, алкокси, амидо, карбамата, галогена или их комбинаций;
где b=0-500, где считается, что если b отлично от 0, то по b имеется распределение, мода которого равна заявленному значению;
при этом по меньшей мере один R1 представляет собой одновалентную реакционно-способную группу, и в некоторых примерах от одного до 3 R1 представляют собой одновалентные реакционно-способные группы.
В настоящем документе термин «одновалентные реакционно-способные группы» относится к группам, способным к реакциям свободнорадикальной и/или катионной полимеризации. Характерные, но не имеющие ограничительного характера примеры свободнорадикальных реакционно-способных групп содержат (мет)акрилаты, стирилы, винилы, простые виниловые эфиры, C1-6 алкил(мет)акрилаты, (мет)акриламиды, C1-6 алкил(мет)акриламиды, N-виниллактамы, N-виниламиды, C2-12 алкенилы, C2-12 алкенилфенилы, C2-12 алкенилнафтилы, C2-6 алкенилфенил-C1-6 алкилы, O-винилкарбаматы и O-винилкарбонаты. Не имеющие ограничительного характера примеры катионных реакционно-способных групп включают в себя простые винилэфирные или эпоксидные группы, а также их смеси. В одном варианте осуществления свободнорадикальные реакционно-способные группы содержат (мет)акрилат, акрилокси, (мет)акриламид и их смеси.
Приемлемые одновалентные алкильные и арильные группы включают в себя 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 реакционно-способную группу и по меньшей мере 3 R1 выбирают из одновалентных алкильных групп, имеющих от одного до 16 атомов углерода, а в другом примере - из одновалентных алкильных групп, имеющих от одного до 6 атомов углерода. Не имеющие ограничительного характера примеры силиконсодержащих компонентов в данном варианте осуществления включают в себя 2-метил-, 2-гидрокси-3-[3-[1,3,3,3-тетраметил-1-[(триметилсилил)окси]дисилоксанил]пропокси]пропиловый сложный эфир (SiGMA),
2-гидрокси-3-метакрилоксипропилоксипропилтрис(триметилсилокси)силан,
3-метакрилоксипропилтрис(триметилсилокси)силан (TRIS),
3-метакрилоксипропилбис(триметилсилокси)метилсилан и
3-метакрилоксипропилпентаметилдисилоксан.
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 R1 представляет собой одновалентную реакционно-способную группу, а остальные группы R1 выбирают 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 реакционно-способную 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 в себя полидиметилсилоксан с концевыми (моно-(2-гидрокси-3-метакрилоксипропил)-пропил-эфирными группами (молекулярная масса 400-1000)) (OH-mPDMS), полидиметилсилоксаны с коневой монометакрилоксипропильной группой с концевой 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 реакционно-способные группы, а остальные R1 независимо выбирают из одновалентных алкильных групп, имеющих от 1 до 18 атомов углерода, которые могут иметь простые эфирные связи между атомами углерода и могут дополнительно содержать галоген.
В одном примере, где желательно использовать линзы из силиконового гидрогеля, линзу настоящего изобретения изготавливают из реакционно-способной смеси, содержащей по меньшей мере около 20 и предпочтительно в диапазоне от около 20 до 70% масс. силиконсодержащих компонентов в расчете на общую массу реакционно-способных компонентов мономерной смеси, из которой образуется полимер.
В другом варианте осуществления от одного до четырех R1 содержат 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; а q равно 0 или 1.
Силиконсодержащие винилкарбонатные или винилкарбаматные мономеры конкретно включают в себя: 1,3-бис[4-(винилоксикарбонилокси)бут-1-ил]тетраметилдисилоксан; 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 содержать одновалентную реакционно-способную группу и не более двух из остальных R1 должны содержать одновалентные силоксановые группы.
Другой класс силиконсодержащих компонентов включает в себя полиуретановые макромеры следующих формул:
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 простые эфирные, тиоэфирные или аминовые связи;
* обозначает уретановую или уреидовую связь;
a равно по меньшей мере 1;
A обозначает 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 простые эфирные связи между атомами углерода; y равно по меньшей мере 1; а p обеспечивает массу фрагмента 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 представляет собой двухвалентный радикал, имеющий от 1 до 12 атомов углерода; X обозначает -CO- или -OCO-; Z обозначает -O- или -NH-; Ar обозначает 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; а 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), образующееся при реакции фторэфира, полидиметилсилоксана с концевой гидроксильной группой, изофорондиизоцианата и изоцианатоэтилметакрилата.
Формула X
Другие силиконсодержащие компоненты, приемлемые для применения в этом изобретении, включают в себя 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 простые 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.
Химическое осаждение металлических слоев на уплотняющие конструкции батареи
Металлическое покрытие имеет большую ценность во многих сферах применения, в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера: для эстетических целей на ювелирных изделиях или металлических приборах, для повышения устойчивости к коррозии промышленного оборудования или поверхностей приборов или материалов или даже для увеличения электропроводности поверхности. В биосовместимом элементе подачи питания покрытие, окружающее корпус батареи, можно использовать с образованием герметичного барьера для проникновения в материал или выхода из него. Могут применяться многочисленные способы нанесения слоя металла на конструкцию батареи, но основная предпосылка может включать в себя осаждение покрытия или слоя металлического материала на поверхности наружных поверхностей батареи. Металлическое покрытие может быть нанесено с применением металлов многих типов, включая медь, никель, платину, родий и многие другие. Нанесение металлического покрытия может представлять собой осаждение металлов на многих типах других материалов, включая, без ограничений, другие металлы, полупроводники или пластмассы.
Типовые примеры способов нанесения металлического покрытия могут включать в себя электролитическое осаждение и химическое осаждение; оба из которых предусматривают покрытие материала слоем металла. Однако электролитическое осаждение может предполагать применение индуцированного электрического заряда на покрываемом материале, тогда как химическое осаждение может не предполагать применения электричества, а может предполагать проведение химической реакции, в результате которой происходит осаждение металла.
Электролитическое осаждение может включать в себя множество стадий для получения требуемого покрытия, постоянной толщины осажденного материала и других свойств, требуемых для успешного нанесения покрытия. В некоторых примерах элемент сначала может быть тщательно предварительно обработан для обеспечения эффективного нанесения. Стадии предварительной обработки могут включать в себя, без ограничений, полировку, маскирование, травление, промывку, паровую очистку, полоскание, ультразвуковую промывку или электроочистку в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера. В некоторых примерах предварительная обработка может позволять удалять масло, жир или другие загрязнения с поверхности покрываемого элемента.
После успешной предварительной обработки покрываемый объект может быть помещен в ванну для раствора, содержащую металл в ионной форме для осаждения. Как правило, способы электролитического осаждения могут предполагать создание положительного электрического заряда в ванне для раствора и отрицательного электрического заряда на покрываемом объекте. Это различие в электрическом заряде может приводить к возникновению силы электрического притяжения между частицами металла в ванне для раствора и покрываемым объектом. Эта сила притяжения может химически изменять ионное состояние и связывать частицы металла из ванны для раствора с объектом, покрывая его поверхность.
В зависимости от композиции наносимого материала и ванны для раствора для обеспечения эффективного нанесения предпочтительно следует поддерживать определенные условия, которые включают в себя, без ограничений, напряжение, уровень рН в ванне для раствора, концентрацию металла в растворе, продолжительность нанесения покрытия и температуру окружающей среды. Коррекция этих условий может позволить изменять различные аспекты нанесения покрытия, включая, без ограничений, отделку полученной металлической поверхности, цвет осажденного металла, скорость осаждения или толщину осажденного металла. Другие внешние условия, такие как воздушные пузырьки или загрязнения в ванне для раствора, также могут влиять на полученное покрытие; эти недостатки могут быть устранены путем встряхивания ванны или применения углеродной обработки ванны в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера. В некоторых примерах может быть важно устранить все причины недостатков на покрываемой поверхности на биосовместимом элементе подачи питания, поскольку такие недостатки могут снижать эффективность уплотнителя.
Кроме того, для обеспечения успешного электролитического осаждения могут потребоваться различные формы последующей обработки, включающие в себя, без ограничений, полоскание, паровую очистку, термическую сушку или другие способы.
Химическое осаждение может включать в себя множество стадий для получения требуемого покрытия, обеспечения постоянной толщины осажденного материала и других свойств, требуемых для успешного нанесения покрытия. Химическое осаждение может иметь такие же требования, связанные с покрытием и герметизацией биосовместимого элемента подачи питания, что и требования, которые были описаны в отношении электролитического осаждения. Сначала покрываемый элемент может быть тщательно предварительно обработан для обеспечения эффективного нанесения. Стадии предварительной обработки могут включать в себя, без ограничений, очистку. Очистка может помочь удалить загрязнения и/или мусор, оставшиеся после любых предшествующих стадий обработки покрываемого объекта, а также масла, смазки или другие загрязнения с поверхности покрываемого элемента. Очистка может быть выполнена с помощью кислот или чистящих растворов других типов; при выборе надлежащего очищающего раствора может быть важно рассмотреть, какой материал или мусор следует удалить, температуру, которую поддерживают для очищенного элемента (и, следовательно, раствора) во время очистки, требуемую концентрацию очищающего раствора, объем механической работы человека, выполняющего очистку, которая может потребоваться (встряхивание и т. д.), а также другие возможные аспекты.
Стадии предварительной обработки также могут включать в себя травление, маскирование, полоскание, сушку и погружение покрываемого объекта в раствор активатора для предварительной обработки окунанием, а также в активирующий раствор в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера. Травление может предполагать применение химических и/или механических средств в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера, для травления профиля в покрываемом рабочем объекте, который будет служить в качестве предписанного места для нанесения покрытия. Раствор для предварительной обработки окунанием может содержать ионы, которые являются общими для активирующего раствора, которые подготовят рабочий элемент к фактическому нанесению покрытия; этот раствор для предварительной обработки окунанием может быть, как правило, выполнен с возможностью нанесения на рабочий элемент, и его не смывают до добавления в активирующий раствор. Раствор для предварительной обработки окунанием может быть менее чувствительным к загрязнению ионов металлов, чем сопутствующий активирующий раствор. Применение раствора для предварительной обработки окунанием обеспечивает множество преимуществ, в том числе, в не имеющем ограничительного характера смысле, - результат, который является менее дорогостоящим и позволяет предохранить активирующий раствор от загрязнения ионами металла с целью повышения эффективности способа и получения более качественных результатов.
После предварительной обработки окунанием активирующий раствор может быть нанесен на рабочий элемент. Активатор может содержать некоторые ионы, удерживаемые в восстановленном состоянии другими ионами в растворе. На практике восстановленные ионы могут механически удерживаться на поверхности связывания, что действует как катализатор для химической реакции, которая будет способствовать химическому осаждению. Хотя достаточный слой активирующего раствора на поверхности рабочего элемента имеет важное значение для катализа процесса химического осаждения, может быть важно отметить, что слишком толстый слой активирующего раствора может действовать как барьер для надлежащей адгезии наносимого металла, и этого следует избегать.
Стадии предварительной обработки могут также включать в себя стадию постактивации, или ускорения, как ее также обычно называют. Эта стадия может служить для обеспечения того, чтобы активирующие вещества, осажденные из активирующего раствора на стадии предварительной обработки окунанием, были как можно более «активными» перед фактической стадией химического осаждения. Эта стадия может облегчить взаимодействие активирующих веществ с раствором для химического осаждения на стадии фактического нанесения покрытия. Это может не только уменьшить время инициирования реакции химического осаждения, но также может свести к минимуму потенциал активирующих веществ, загрязняющих раствор химического осаждения, повышая качество полученного покрытия. Если пропустить эту стадию постактивации, активирующий раствор, осажденный на рабочем элементе, может содержать незначительно прилипшие вещества, что может привести к загрязнению раствора химического осаждения и может отсрочить начало реакции химического осаждения. В некоторых примерах постактивирующие растворы могут быть кислотными и могут удалять оксиды металлов, которые могут образовываться на поверхностях рабочих объектов вследствие стадий полоскания между активатором и постактиватором; хотя этот процесс положительно влияет на рабочий объект, постактиватор может загрязниться и может возникнуть необходимость пополнять ванну для раствора, когда в ней наблюдается чрезмерная концентрация этих металлов или других загрязнений.
После предварительной обработки рабочий объект может быть погружен в химическую ванну, содержащую следующие возможные ингредиенты в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера: соли металла (требуемого для осаждения металла), восстанавливающий агент, щелочной гидроксид, хелатирующие агенты, стабилизаторы, отбеливатели и необязательно смачивающие агенты. Восстанавливающий агент и гидроксидные ионы могут обеспечить восстановительную силу, необходимую для осаждения металла, содержащегося внутри ванны для раствора. Реакцию осаждения можно инициировать с помощью каталитических веществ, которые могут быть нанесены на поверхность рабочего объекта на стадии активатора. Выбор типовой ванны для химического осаждения может зависеть от нескольких факторов, включающих в себя, без ограничений, температуру, требуемую скорость нанесения покрытия, требуемую толщину покрытия и концентрацию металла (и, следовательно, повторяемость реакции нанесения для множества рабочих объектов в одной ванне, хотя эта повторяемость, по-видимому, может также зависеть и от многих других факторов).
Повышение механической прочности с помощью химического осаждения
В некоторых примерах желательное решение для повышения механической прочности может предполагать химическое осаждение в качестве методики создания конформного барьерного покрытия. Принципы химического осаждения были описаны в настоящем документе. В ходе химического осаждения можно осаждать соответствующий слой металла на проводящее или непроводящее покрытие. Для осаждения металлов, таких как никель, медь и олово, на пластмассовые поверхности были разработаны ванны для химического осаждения. Впоследствии химически осажденный металл может быть дополнительно нанесен с применением химического осаждения или электролитического осаждения с использованием широкого спектра металлов, включая никель, медь, олово, золото, серебро, кадмий и родий. В некоторых случаях из-за стоимости, коррозии и/или механических проблем может быть желательно применять слоистую структуру, которая включает в себя более одного электролитически осажденного слоя.
Покрытие может иметь любую толщину и может механически усилить батарею в дополнение к действию в качестве барьера. Это механическое усиление может приводить к принудительному перемещению водорода за пределы элемента, уменьшая или устраняя вспучивание вследствие образования газообразного водорода при коррозии цинка. Чтобы избежать возникновения короткого замыкания между выводами батареи вследствие нанесения, может потребоваться выполнение маскирования одного или обоих выводов с применением непроводящего материала в процессе нанесения покрытия.
В некоторых примерах слой может быть образован с помощью химического осаждения, где химическое осаждение и/или электролитическое осаждение могут применяться для создания на них конформного медного покрытия приблизительно 1 мил (25 мкм). Ленту для нанесения покрытия можно применять для маскирования обоих выводов этих батарей во время нанесения покрытия, чтобы избежать короткого замыкания батарей во время обработки наносимого покрытия.
Затем ленту можно снять с выводов, после чего батареи можно выдерживать при комнатной температуре с относительной влажностью 50%.
Пластмассовые трубчатые батареи
Химическое осаждение уплотняющих слоев может допускать применение батарей трубчатой формы, которые выполнены из пластмассовых трубок, образованных подходящим способом. На Фиг. 11A-11F показано изображение формирования пластмассовой батареи трубчатой формы. Пластмассовая трубка 1110, которая может содержать полиэтилен или композит на основе майлара из слоев пластмассы и металла, показана на Фиг. 11А. Ее можно отрезать на требуемую длину, как показано на Фиг. 11В, или в других примерах можно деформировать путем плавления или окружения другими образованными трубками изогнутой формы. В некоторых примерах пластмассовый или майларовый элемент плоской формы может быть вкатан в трубку во время обработки батареи трубчатой формы. Как показано в описании далее, пластмассовая трубка может быть образована на более поздней стадии обработки.
На Фиг. 11С показан пример электрического контакта металлической проволоки, который может представлять собой анодный контакт 1121. В некоторых примерах металлическая проволока может представлять собой цинковую проволоку. В других примерах это может быть проволока из другого металла, такого как латунь, которая может быть покрыта цинком 1120. Провод может быть окружен и герметизирован уплотняющим материалом 1122. В настоящем изобретении описано множество типов уплотнений, многие примеры которых соответствуют показанному уплотняющему материалу 1122.
Согласно Фиг. 11D для формирования катодного контакта может быть применена другая металлическая проволока 1130. В некоторых примерах металлическая проволока может представлять собой титановую проволоку. Проволоку может окружать осажденный слой из катодного материала 1131. Другой уплотняющий материал 1132 может окружать катодную проволоку 1130.
Согласно Фиг. 11Е трубка 1110 может иметь фитиль 1141, который может представлять собой полиолефиновую пленку или целлюлозную пленку. В некоторых примерах это может быть целлюлозная нить, проходящая от области анода до области катода. Фитиль 1141 может быть расположен в объеме электролита 1140, который может быть помещен в трубку на последующей стадии обработки.
Как показано на Фиг. 11F, различные компоненты, показанные на Фиг. 11E, 11D и 11C, могут быть собраны с образованием батареи трубчатой формы. Уплотнения между уплотняющим материалом 1122 и трубкой 1110 и между уплотняющим материалом 1132 и трубкой 1110 могут содержать многочисленные типы уплотнений, которые описаны в последующих разделах. В некоторых примерах фитиль 1141 может представлять собой полный сепаратор или заглушку для материала сепаратора, которые могут обеспечивать разделение более плотно размещенных химических составляющих батареи в отличие от физического разделения, как показано на Фиг. 11A-11F.
В некоторых примерах в качестве варианта конфигурации могут быть добавлены металлические концевые колпачки. Два проводных вывода могут быть встроены в массу изолирующего адгезива трубчатой формы с обоих концов. Адгезив трубчатой формы может находиться частично внутри трубчатого изолирующего контейнера батареи и также может выступать частично за пределы контейнера батареи. В некоторых примерах адгезивы могут приклеивать и герметизировать проводные выводы и изолирующий контейнер. Изолирующий адгезив может содержать текучие среды батареи и предотвращать утечку текучих сред наружу. Адгезив может быть термореактивным, термопластичным или может представлять собой комбинацию этих двух видов.
В некоторых примерах может применяться заливное отверстие или оставляться место под заливное отверстие, зарезервированное вдоль корпуса пластмассовой трубки. После сборки батареи заливное отверстие может быть врезано в месте под заливное отверстие и батарея может быть заполнена электролитом. В некоторых примерах электролит может представлять собой водный раствор, такой как раствор ZnCl2. В некоторых других примерах электролит может представлять собой полимерный электролит. Могут применяться разные варианты электролита, которые были описаны ранее.
Нанесение покрытий на биосовместимые батареи
Любая из различных батарей трубчатой формы может быть дополнительно обработана для нанесения барьерных пленок химическим осаждением на конструкцию батареи. В примере полностью сформированная пластмассовая батарея трубчатой формы может быть герметизирована с применением химического осаждения с последующим электролитическим осаждением. В не имеющем ограничительного характера примере конструкция батареи на Фиг. 11F может быть дополнительно обработана путем электролитического осаждения. Как показано на виде сверху вниз на Фиг. 11G, пластмассовая батарея 1150 может быть изогнута в дугообразную форму с катодным контактом 1152 и анодным контактом 1153. Форма батареи показана в поперечном сечении на Фиг. 11H. Показанное поперечное сечение соответствует области, указанной пунктирной линией 1151.
Поверхность трубчатой формы можно очищать и обрабатывать путем предварительной обработки окунанием в кислоту для удаления загрязнений, таких как остаточная суспензия. Другие варианты промывки и очистки могут включать в себя очиститель типа RCA, очиститель на основе пероксида типа SC1 и SC2, фтористоводородную кислоту, серную кислоту и комбинации кислот. Ускоритель или сенсибилизатор может включать в себя специализированные составы, такие как раствор Type C, производимый компанией Transene. Затем для обработки поверхности можно применять активатор. В качестве не имеющего ограничительного характера примера может быть приведен раствор Type D, производимый компанией Transene. На Фиг. 11H результат этой обработки показан как слой 1161 на полностью сформированном биосовместимом элементе подачи питания на Фиг. 11F.
Затем предварительно обработанную поверхность можно погружать в ванны для химического осаждения, в данном примере - меди. Теперь предварительно обработанный и активированный корпус батареи может быть погружен в производимую компанией Transene смесь омывающего раствора для химического осаждения медью Type A and Type B при повышенной температуре приблизительно 40°C в течение некоторого времени с образованием осажденного слоя толщиной несколько микрон. Полученный осажденный слой показан как слой 1162. В некоторых примерах можно выполнять последующее промывание поверхности в кислотах для стабилизации поверхности.
В некоторых примерах более толстый слой осаждения, например толщиной 10 мкм меди или более, можно осаждать на химически осажденном слое с применением ванны для электролитического осаждения меди. Полученный слой меди показан как слой 1163. В некоторых примерах обработка путем электролитического осаждения родия, показанного как слой 1164, может следовать за электролитически осажденным слоем меди. Родий способен стабилизировать и защищать медную поверхность, поэтому в некоторых примерах в качестве верхней поверхности могут наносить тонкий слой.
Если весь элемент батареи покрыть медным слоем, два контакта батареи будут закорочены и батарея станет нефункциональной. Поэтому один или оба контакта батареи могут быть защищены перед нанесением покрытия для предотвращения формирования покрытия вокруг контактов и изолирования контакта. На Фиг. 11J показан пример вида сверху батареи с многослойной структурой перед нанесением покрытия на батарею, показанную на Фиг. 11G, с анодным соединением 1152 и катодным соединением 1153. Защитная пленка, такая как лента для нанесения, может быть помещена вокруг анодного контакта в месте 1171 и катодного контакта в месте 1172. Оставшаяся поверхность 1170 батареи может быть покрыта слоями химического и электролитического покрытий, как показано на Фиг. 11А. Тот факт, что контактная область может иметь поверхность многослойной структуры без покрытия, может не быть проблемой при герметизации батареи. В некоторых примерах контакты могут быть выполнены достаточно длинными, так что вблизи контакта имеется относительно большое уплотнение. С другой стороны, при работе первичной батареи могут образовываться газы, такие как газообразный водород. Наличие области вокруг одного или более контактов, которая также не герметизирована, может быть предпочтительным, поскольку при этом может быть создан канал, через который образованные газы могут медленно рассеиваться.
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 испытания биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, офтальмологические устройства, микронасосы, дефибрилляторы, стенты и т. п.
Описаны конкретные примеры для иллюстрации примеров вариантов осуществления катодной смеси для применения в биосовместимых батареях. Эти примеры предназначены для целей иллюстрации и ни в коей мере не призваны ограничивать объем формулы изобретения. Соответственно, описание призвано охватить все примеры, которые могут быть очевидны специалистам в данной области.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| БАТАРЕИ БИОМЕДИЦИНСКОГО УСТРОЙСТВА С ЭЛЕКТРООСАЖДЕННЫМИ КАТОДАМИ | 2017 |
|
RU2682482C1 |
| Биометрические элементы подачи питания с полимерными электролитами | 2017 |
|
RU2682795C1 |
| ГИБКАЯ МИКРОБАТАРЕЯ | 2018 |
|
RU2682724C1 |
| БИОМЕДИЦИНСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПОЛИМЕРНЫМИ ЭЛЕКТРОЛИТАМИ | 2016 |
|
RU2668419C2 |
| Двустворчатые батареи для биомедицинского устройства | 2017 |
|
RU2670597C9 |
| Гибкая микробатарея | 2018 |
|
RU2683593C1 |
| Устройство и способы герметизации и заключения в оболочку биосовместимых элементов питания | 2015 |
|
RU2675385C2 |
| ГИБКАЯ МИКРОБАТАРЕЯ | 2015 |
|
RU2677630C1 |
| Составы электролита для применения в биосовместимых элементах питания | 2015 |
|
RU2684170C2 |
| КАТОДНАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В БИОСОВМЕСТИМОЙ БАТАРЕЕ | 2015 |
|
RU2671968C2 |
Изобретение относится к области электротехники, а именно к биосовместимым батареям трубчатой формы и способу их изготовления, 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, например имплантируемые кардиостимуляторы, электронные таблетки для контроля и/или испытания биологической функции, хирургические устройства с активными компонентами, контактные линзы. 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. Повышение безопасности, надежности и компактности средств питания полупроводниковых компонентов внутри биосовместимого устройства за счет улучшения герметичности биосовместимой батареи трубчатой структуры является техническим результатом изобретения. Биосовместимая батарея 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 применяется для образования юбки контактной линзы, окружающей внутренние компоненты электроактивной линзы с биосовместимым слоем гидрогеля, который взаимодействует с поверхностью глаза пользователя. Для герметизации использован уплотняющий материал в виде гальванического наружного металлического покрытия, нанесенного способом химического осаждения, эпоксидный адгезив, а также металлическая пленка, осажденная физическим методом паровой фазы (PVD). 7 н. и 34 з.п. ф-лы, 27 ил.
1. Биомедицинское устройство, содержащее:
электрически активный компонент;
батарею, содержащую анодный токоотвод;
катодный токоотвод;
анод;
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;
гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и причем толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из батареи; и
первый биосовместимый инкапсулирующий слой, который инкапсулирует по меньшей мере электрически активный компонент и батарею.
2. Батарея, содержащая:
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, при этом 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;
уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой; и
гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и при этом толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из батареи.
3. Батарея по п. 2, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит эпоксидный адгезив.
4. Батарея по п. 2, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит первый слой, содержащий частицы молибдена и марганца в смеси с керамическими порошками, который впоследствии покрывают металлической пленкой.
5. Батарея по п. 4, в которой металлическая пленка содержит никель.
6. Батарея по п. 2, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит первый слой металлической пленки, осажденной путем физического осаждения из паровой фазы (PVD).
7. Батарея по п. 6, в которой металлическая пленка содержит титан.
8. Батарея по п. 7, в которой на металлическую пленку, нанесенную путем физического осаждения из паровой фазы (PVD), дополнительно осаждают пленку из электрохимически неактивного металла.
9. Батарея по п. 2, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит множество тонких слоев металлических пленок, причем первый тонкий слой металлической пленки осаждают на второй слой металлической пленки, при этом первый тонкий слой металлической пленки химически активен относительно второго слоя металлической пленки с высвобождением энергии для быстрого нагрева слоев и при этом химическую реакцию активируют энергетическим импульсом.
10. Батарея по п. 9, в которой энергетический импульс содержит фотоны.
11. Батарея по п. 9, в которой энергетический импульс содержит электроны.
12. Батарея по п. 9, в которой энергетический импульс содержит тепловую энергию.
13. Батарея по п. 2, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит стандартную основу из сплава припоя с добавлением титана, причем титан реагирует с поверхностными материалами из керамики при воздействии ультразвуковой энергии.
14. Батарея, содержащая:
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, при этом 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;
уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой; и
гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и при этом толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из батареи.
15. Батарея по п. 14, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит эпоксидный адгезив.
16. Батарея по п. 14, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит первый слой, содержащий частицы молибдена и марганца в смеси с керамическими порошками, который впоследствии покрывают металлической пленкой.
17. Батарея по п. 16, в которой металлическая пленка содержит никель.
18. Батарея по п. 14, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит первый слой металлической пленки, осажденной путем физического осаждения из паровой фазы (PVD).
19. Батарея по п. 18, в которой металлическая пленка содержит титан.
20. Батарея по п. 19, в которой на металлическую пленку, нанесенную путем физического осаждения из паровой фазы (PVD), дополнительно осаждают пленку из электрохимически неактивного металла.
21. Батарея по п. 14, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит множество тонких слоев металлических пленок, причем первый тонкий слой металлической пленки осаждают на второй слой металлической пленки, при этом первый тонкий слой металлической пленки химически активен относительно второго слоя металлической пленки с высвобождением энергии для быстрого нагрева слоев и при этом химическую реакцию активируют энергетическим импульсом.
22. Батарея по п. 21, в которой энергетический импульс содержит фотоны.
23. Батарея по п. 21, в которой энергетический импульс содержит электроны.
24. Батарея по п. 21, в которой энергетический импульс содержит тепловую энергию.
25. Батарея по п. 14, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит стандартную основу из сплава припоя с добавлением титана, причем титан реагирует с поверхностными материалами из стекла при воздействии ультразвуковой энергии.
26. Батарея, содержащая:
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;
уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой; и
гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и при этом толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из батареи.
27. Батарея, содержащая:
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;
уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой; и
гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и при этом толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из батареи.
28. Батарея по п. 27, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой, содержит эпоксидный адгезив.
29. Батарея по п. 27, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой, содержит первый слой, содержащий частицы молибдена и марганца в смеси с керамическими порошками, который впоследствии покрывают металлической пленкой.
30. Батарея по п. 29, в которой металлическая пленка содержит никель.
31. Батарея по п. 27, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой, содержит первый слой металлической пленки, осажденной путем физического осаждения из паровой фазы (PVD).
32. Батарея по п. 31, в которой металлическая пленка содержит титан.
33. Батарея по п. 32, в которой на металлическую пленку, нанесенную путем физического осаждения из паровой фазы (PVD), дополнительно осаждают пленку из электрохимически неактивного металла.
34. Батарея по п. 27, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой, содержит множество тонких слоев металлических пленок, причем первый тонкий слой металлической пленки осаждают на второй слой металлической пленки, при этом первый тонкий слой металлической пленки химически активен относительно второго слоя металлической пленки с высвобождением энергии для быстрого нагрева слоев и при этом химическую реакцию активируют энергетическим импульсом.
35. Батарея по п. 34, в которой энергетический импульс содержит фотоны.
36. Батарея по п. 34, в которой энергетический импульс содержит электроны.
37. Батарея по п. 34, в которой энергетический импульс содержит тепловую энергию.
38. Батарея по п. 27, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой полупроводниковой трубкой и второй полупроводниковой трубкой, содержит стандартную основу из сплава припоя с добавлением титана, причем титан реагирует с поверхностными материалами первой полупроводниковой трубки и второй полупроводниковой трубки при воздействии ультразвуковой энергии.
39. Батарея, содержащая:
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, при этом химическая составляющая катода содержится внутри второй металлической трубки;
пластиковую трубку с первой уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует с первой металлической трубкой, и второй уплотнительной поверхностью, которая герметично взаимодействует со второй металлической трубкой;
уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой; и
гальваническое наружное металлическое покрытие, которое содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и при этом толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из пластиковой трубки.
40. Батарея по п. 39, в которой уплотняющий материал, размещенный в зазоре между первой уплотнительной поверхностью и первой металлической трубкой, содержит эпоксидный адгезив.
41. Способ изготовления батареи, включающий в себя:
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 Nanofoil;
покрытие металлической пленки на первой и второй уплотнительных поверхностях паяльной пастой;
расположение 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 расплавление паяльной пасты; и
нанесение гальванического наружного металлического покрытия, причем по меньшей мере первый участок указанного наружного металлического покрытия содержит участок, который покрывают способом химического осаждения, и при этом толщина гальванического наружного металлического покрытия является достаточно большой для того, чтобы оно могло служить в качестве барьера от проникновения и выхода влаги из батареи.
| US 2016056417 A1, 25.02.2016 | |||
| CN 204885327 U, 16.12.2015 | |||
| Двухпоточный цилиндр среднего давления паровой турбины | 2016 |
|
RU2631962C1 |
| CN 104009256 A, 27.08.2014 | |||
| ВТОРИЧНАЯ БАТАРЕЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОПРОЧНОГО КОРПУСА БАТАРЕИ | 2005 |
|
RU2331142C1 |
| US 6224997 B1, 01.05.2001. | |||
