BR102015019862A2 - métodos para fabricação de pasta fluida para catodo biocompatível para uso em baterias biocompatíveis - Google Patents

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cathode slurry
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Adam Toner
Daniel B Otts
Frederick A Flitsch
James Daniel Riall
Jorge Gozalez
Randall B Pugh
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Johnson & Johnson Vision Care
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Abstract

"métodos para fabricação de pasta fluida para catodo biocompatível para uso em baterias biocompatíveis". a presente invenção refere-se a métodos e aparelhos para formar elementos de energização biocompatíveis. em alguns exemplos, os métodos e aparelhos para formar os elementos de energiza- ção biocompatíveis envolvem formar cavidades que compreendem química de cátodo ativo. os elementos ativos do cátodo e do ânodo são vedados com um material biocompatível. em alguns exemplos, um campo de uso para os métodos e aparelhos podem incluir qualquer dispositivo biocompatível ou produto que exige elementos de energização.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOS PARA FABRICAÇÃO DE PASTA FLUIDA PARA CATODO BIOCOMPATÍVEL PARA USO EM BATERIAS BIOCOMPATÍVEIS".
REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
[001] Este pedido de patente reivindica o benefício do pedido provisório de patente U.S. n° 62/040178, depositado 21 de agosto de 2014.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
1. CAMPO DA INVENÇÃO
[002] São descritos métodos para fabricação de pasta fluida para cátodo biocompatível para uso em baterias biocompatíveis. Em alguns exemplos, os métodos envolvem a fabricação de um condutor elétrico através do qual a corrente elétrica entra ou deixa um vácuo ou fluente. Em alguns exemplos, um campo de uso para os métodos para fabricação de pasta fluida para cátodo para uso em baterias biocompatíveis pode incluir qualquer dispositivo ou produto biocompatível que exija energia.
2. DISCUSSÃO DA TÉCNICA RELACIONADA
[003] Recentemente, o número de dispositivos médicos e suas funcionalidades começaram a ser desenvolvidos rapidamente. Esses dispositivos médicos podem incluir, por exemplo, marcapassos implan-táveis, pílulas eletrônicas para monitorar e/ou testar uma função biológica, dispositivos cirúrgicos com componentes ativos, lentes de contato, bombas de infusão e neuroestimulantes. A funcionalidade acrescentada e um aumento no desempenho a muitos dos dispositivos médicos supracitados foram desenvolvidos e teorizados. Entretanto, para alcançar a funcionalidade adicionada teorizada, muitos desses dispositivos agora exigem meios de energização próprios que sejam compatíveis com as exigências de tamanho e formato desses dispositivos, assim como as exigências dos novos componentes energizados.
[004] Alguns dispositivos médicos podem incluir componentes elétricos, como dispositivos semicondutores que realizam uma variedade de funções, e podem ser incorporados em muitos dispositivos bi-ocompatíveis e/ou implantáveis. Entretanto, tais componentes semicondutores exigem energia e, portanto, elementos de energização também têm que ser incluídos, de preferência, em tais dispositivos bi-ocompatíveis. A topologia e o tamanho relativamente pequeno dos dispositivos biocompatíveis podem criar ambientes inovadores e desafiadores para a definição de várias funcionalidades. Em muitos exemplos, é importante fornecer meios seguros, confiáveis, compactos e de baixo custo para energizar os componentes semicondutores no interior dos dispositivos biocompatíveis. Assim, existe uma necessidade de elementos de energização biocompatíveis formados para implantação dentro ou sob os dispositivos biocompatíveis, onde a estrutura do milímetro ou elementos de energização com tamanho menor fornecem função melhorada para o elemento de energização enquanto mantém a biocompatibilidade.
[005] Um tal elemento de energização usado para energizar um dispositivo pode ser uma bateria. Um elemento comum nas baterias que pode conter vários tipos de materiais de armazenamento de energia com base em química é o cátodo da bateria. A função das baterias pode depender criticamente do projeto da estrutura, dos materiais e processos relacionados à formação do cátodo da bateria. Além disso, em alguns exemplos, a restrição dos materiais do cátodo da bateria pode ser um aspecto importante da biocompatibilidade.
[006] A pasta fluida para cátodo pode ser um componente da bateria biocompatível. A escolha da pasta fluida para cátodo pode ter um efeito na integração, fabricação, logística, segurança e produtividade da bateria biocompatível. A tecnologia de pasta fluida evoluiu para acompanhar o elevado grau de exigência da indústria de pasta fluida. A fabricação da pasta fluida para cátodo pode exigir experiência nas áreas de síntese de partículas; dispersão, mistura e filtração; eletro-química, ciência coloidal e química de superfícies; dinâmica de fluidos; e análise numérica. Conhecimento operacional pode ser útil para um fornecedor fabricar perfeitamente uma pasta fluida para cátodo todos os dias e fornecer a pasta fluida para fabricação de alto volume. Além disso, ao projetar os elementos de batería e os sistemas de produção utilizados para torná-los fontes de energia biocompatíveis para dispositivos oftálmicos, conhecimento em oftálmica e em dispositivos oftálmi-cos pode ser importante para o perfil de segurança dos dispositivos biocompatíveis formados com o uso da pasta fluida para cátodo. Portanto, existe uma necessidade de exemplos novos para fabricar pequenos cátodos biocompatíveis para uso em elementos de energiza-ção biocompatíveis.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[007] Um aspecto geral da presente invenção inclui um métodos para fabricação de pasta fluida para cátodo para uso em bateria bio-compatível. Este método pode incluir as etapas da mistura de uma ou mais de uma pré-mistura de fase líquida com uma ou mais de uma pré-mistura de fase sólida em uma mistura de pasta fluida para cátodo. Então, obter uma estrutura laminar onde a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade. Depois, filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo. Finalmente, distribuir a mistura de pasta fluida para cátodo na cavidade da estrutura laminar para formar um cátodo biocompatível para uso em uma bateria biocompatível.
[008] As implementações podem incluir uma ou mais das seguintes características. O método inclui a verificação de uma qualidade da pré-mistura de fase sólida e pré-mistura de fase líquida. O método pode incluir também o armazenamento e a recirculação da mistura de pasta fluida para cátodo após filtragem da mistura de pasta fluida para cátodo. Método pode também incluir a secagem da mistura de pasta fluida para cátodo. A pré-mistura de fase líquida pode incluir um ou mais reagentes onde ao menos um reagente é um reagente de fase líquida. O método pode incluir também a filtragem dos reagentes de fase líquida. Um reativo de fase líquida pode incluir um solvente. O solvente pode incluir tolueno.
[009] A pré-mistura de fase sólida pode incluir um ou mais reagentes de fase sólida. O método pode incluir também a peneiragem de reagentes de fase sólida a um tamanho de partícula uniforme. O método pode incluir também reagentes de fase sólida incluindo um agluti-nante hidrofílico. O método pode incluir também uma pré-mistura de fase sólida incluindo um óxido de metal de transição. O óxido metálico de transição pode incluir dióxido de manganês. O método pode incluir também um reagente de fase sólida incluindo um alótropo de carbono. O alótropo de carbono pode incluir grafite. O grafite pode incluir negro-de-fumo. O método pode incluir também um reagente de fase sólida incluindo um aglutinante hidrofóbico. O aglutinante hidrofóbico pode incluir poli-isobutileno (PIB). O aglutinante hidrofóbico pode incluir um sólido de fluorocarboneto. O sólido de fluorocarboneto pode incluir po-li(tetrafluoroetileno) (PTFE). O método pode incluir também um dispositivo biomédico que é uma lente de contato.
[0010] Um aspecto geral da presente invenção inclui um método para fabricação de cátodo biocompatível para uso em batería biocom-patível incluindo as etapas de: obtenção de tolueno, dióxido de manganês, negro-de-fumo e poli-isobutileno. O método pode incluir também a filtração de tolueno. O método pode incluir também a peneiragem de dióxido de manganês, negro-de-fumo e poli-isobutileno. O método pode incluir também a mistura de tolueno e poli-isobutileno em uma pré-mistura de fase líquida. O método pode incluir também a mistura do dióxido de manganês e negro-de-fumo em uma pré-mistura de fase sólida. O método pode incluir também a verificação de uma qualidade de ambas as pré-misturas de fase líquida e fase sólida. O método pode incluir também misturar a pré-mistura de fase sólida e a pré-mistura de fase líquida em uma mistura de pasta fluida para cátodo, filtrando então a mistura de pasta fluida para cátodo. O método pode incluir também o armazenamento da mistura de pasta fluida para cátodo e, então, a recirculação da mistura de pasta fluida para cátodo. O método pode incluir também a obtenção de uma estrutura laminar onde a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade. O método pode incluir também a filtragem da mistura de pasta fluida para cátodo armazenada e distribuindo então a mistura de pasta fluida para cátodo filtrada na cavidade da estrutura laminar, seguida da secagem da mistura de pasta fluida para cátodo para formar um cátodo biocompatível para uso em bateria biocompatível.
[0011] Um aspecto geral da presente invenção inclui um método para fabricação de pasta fluida para cátodo para uso em dispositivo biomédico incluindo as etapas de: misturar uma ou mais de uma pré-mistura de fase líquida com uma ou mais de uma pré-mistura de fase sólida em uma mistura de pasta fluida para cátodo; obter uma estrutura laminar onde a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade, e filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo. O método pode incluir também distribuir a mistura de pasta fluida para cátodo na cavidade da estrutura laminar formando a pasta fluida para cátodo para uso em dispositivo biomédico, em que o dispositivo biomédico inclui um elemento de inserção. O dispositivo de elemento de inserção pode incluir um elemento eletroativo responsivo a um sinal de tensão de controle. O método pode incluir também uma bateria biocompatível. A bateria biocompatível pode incluir um primeiro e segundo eletrodo, um ânodo, um separador, uma estrutura laminar (em que pelo menos uma camada da estrutura laminar tem um volume removi- do para formar uma cavidade). O método pode incluir também a pasta fluida para cátodo em que pelo menos um tamanho médio molecular de um componente da pasta fluida para cátodo é reduzido no tamanho de partícula pela moagem daquele componente. O método pode incluir também a pasta fluida para cátodo capaz de encher a cavidade, com base na sua reologia, enquanto mantém a eletrocondutividade através da estrutura laminar na cavidade. O método pode incluir também um circuito eletricamente conectado a uma batería biocompatível, onde o circuito fornece o sinal de tensão de controle. O método pode incluir um dispositivo biomédico que é uma lente de contato.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0012] As Figuras 1A a 1D ilustram aspectos exemplificadores de elementos de energização biocompatíveis em concertação com a aplicação exemplificadora das lentes de contato.
[0013] A Figura 2 ilustra o tamanho e a forma exemplificadores de células individuais de um projeto de batería exemplificador.
[0014] A Figura 3A ilustra um primeiro elemento de energização biocompatível embalado independente com conexões de ânodo e cátodo exemplificadoras.
[0015] A Figura 3B ilustra um segundo elemento de energização biocompatível embalado independente com conexões de ânodo e cátodo exemplificadoras.
[0016] As Figuras 4A a 4N ilustram etapas de método exemplificadoras para a formação de elementos de energização biocompatíveis para dispositivos biomédicos.
[0017] A Figura 5 ilustra um elemento de energização biocompatível completamente formado exemplificador.
[0018] As Figuras 6A a 6F ilustram etapas de método exemplificadoras para a formação estrutural de elementos de energização biocompatíveis.
[0019] As Figuras 7A a 7F ilustram etapas de método exemplifica-doras para formação estrutural de elementos de energização biocom-patíveis utilizando um método de galvanopiastia alternada.
[0020] As Figuras 8A a 8H ilustram etapas de método exemplifica-doras para a formação de elementos de energização biocompatíveis com separador de hidrogel para dispositivos biomédicos.
[0021] As Figuras 9A a C ilustram etapas de métodos exemplifica-dores para a formação estrutural de elementos de energização biocompatíveis utilizando exemplos processamento de hidrogel alternativos.
[0022] As Figuras 10A a 10F ilustram depósito otimizado e não otimizado de uma mistura de cátodo em uma cavidade.
[0023] A Figura 11 ilustra a aglomeração de uma mistura de cátodo dentro de uma cavidade.
[0024] A Figura 12 ilustra etapas de métodos exemplificadores para fabricação de pasta fluida para cátodo para uso em baterias biocompatíveis.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0025] Métodos para fabricação de pasta fluida para cátodo bio-compatível para uso em baterias biocompatíveis são revelados neste pedido. Nas seguintes seções, as descrições detalhadas de vários exemplos serão descritas. As descrições de exemplos são modalidades exempiificadoras apenas, e várias modificações e alterações podem ser evidentes aos versados na técnica. Portanto, os exemplos não limitam o escopo do presente pedido. As misturas de cátodo, e as estruturas que contêm as mesmas, podem ser projetadas para uso em baterias biocompatíveis. Em alguns exemplos, estas baterias biocompatíveis podem ser projetadas para uso em, ou próximo ao corpo de um organismo vivo.
GLOSSÁRIO
[0026] Na descrição e nas reivindicações abaixo, vários termos podem ser usados, para os quais as seguintes definições se aplicarão: [0027] "Ânodo", para uso na presente invenção, refere-se a um eletrodo através do qual flui corrente elétrica para o interior de um dispositivo elétrico polarizado. A direção da corrente elétrica é tipicamente oposta à direção do fluxo de elétrons. Em outras palavras, os elétrons fluem do ânodo para, por exemplo, um circuito elétrico.
[0028] "Aglutinante", para uso na presente invenção, refere-se a um polímero que é capaz de exibir respostas elásticas a deformações mecânicas, e que é quimicamente compatível com outros componentes de elemento de energização. Por exemplo, os aglutinantes podem incluir materiais eletroativos, eletrólitos, polímeros etc.
[0029] "Biocompatível", para uso na presente invenção, refere-se a um material ou dispositivo que realiza, com um hospedeiro apropriado, resposta em uma aplicação específica. Por exemplo, um dispositivo biocompatível não tem efeitos tóxicos ou lesivos em sistemas biológicos.
[0030] "Catodo", para uso na presente invenção, refere-se a um eletrodo através do qual corrente elétrica flui para fora de um dispositivo elétrico polarizado. A direção da corrente elétrica é tipicamente oposta à direção do fluxo de elétrons. Portanto, os elétrons fluem para o interior do catodo do dispositivo elétrico polarizado e para fora, por exemplo, do circuito elétrico conectado.
[0031] "Revestimento", para uso na presente invenção, refere-se a um depósito de material em formas finas. Em alguns usos, o termo se referirá a um depósito fino que cobre substancialmente a superfície de um substrato sobre o qual está formado. Em outros usos mais especializados, o termo pode ser usado para descrever pequenos depósitos finos em regiões menores da superfície.
[0032] "Eletrodo", conforme usado na presente invenção, pode se referir a uma massa ativa na fonte de energia. Por exemplo, pode incluir um ou ambos dentre ânodo e catodo.
[0033] "Energizado", para uso na presente invenção, refere-se ao estado de ser capaz de suprir corrente elétrica ou ter energia elétrica armazenada em seu interior.
[0034] "Energia", para uso na presente invenção, refere-se à capacidade de um sistema física para realizar trabalho. Muitos usos dos elementos de energização podem se referir à capacidade de executar ações elétricas.
[0035] "Fonte de energia" ou "elemento de energização" ou "dispositivo de energização", para uso na presente invenção, referem-se a qualquer dispositivo ou camada que sejam capazes de fornecer energia ou colocar um dispositivo lógico ou elétrico em um estado energizado. Os elementos de energização podem incluir baterias. As baterias podem ser formadas por células alcalinas e podem ser baterias de estado sólido ou baterias de célula molhada.
[0036] "Cargas", conforme usado no presente documento, refere-se a um ou mais separadores de elementos de energização que não reagem com qualquer um dentre eletrólitos ácidos ou alcalinos. Geralmente, cargas podem incluir substancialmente materiais insolúveis em água, como negro-de-fumo; pó de carvão; grafite; óxidos metálicos e hidróxidos como silicone, alumínio, cálcio, magnésio, bário, titânio, ferro, zinco e estanho; metal carbonatos como aqueles de cálcio e magnésio; minerais como mica, montmorolonita, caulinita, atapulgita e talco; zeólitas sintéticas e naturais como cimento Portland; silicatos de metal precipitado, como silicato de cálcio; polímeros ocos ou sólidos ou microesferas vítreas, flocos e fibras; etc.
[0037] "Funcionalizado", para uso na presente invenção, refere-se a tornar uma camada ou dispositivo capazes de executar uma função que inclui, por exemplo, energização, ativação e/ou controle.
[0038] "Molde", para uso na presente invenção, refere-se a um objeto rígido ou semirrígido que pode ser usado para formar objetos tridimensionais a partir de formulações não curadas. Alguns moldes exemplificadores incluem duas partes de molde que, quando opostas uma à outra, definem a estrutura de um objeto tridimensional.
[0039] "Potência", para uso na presente invenção, refere-se ao trabalho realizado pela energia transferida por uma unidade de tempo.
[0040] "Recarregável" ou "Reenergizávei", para uso na presente invenção, referem-se a uma capacidade de ser restaurado a um estado com capacidade superior de realizar trabalho. Muitos usos podem se referir à capacidade de ser restaurado com a habilidade de fluir corrente elétrica a uma certa taxa por certos períodos de tempo restabelecidos.
[0041] "Reenergizar" ou "recarregar", para uso na presente invenção, referem-se à restauração a um estado com capacidade superior de realizar trabalho. Diversos usos podem se relacionar à restauração a um dispositivo da capacidade de fluxo de corrente elétrica a uma certa taxa por um determinado período de tempo restabelecido.
[0042] "Liberado", para uso na presente invenção, e, algumas vezes referido como "liberado de um molde", significam que um objeto tridimensional é ou completamente separado do molde ou está apenas fixado de maneira frouxa ao molde, de modo que possa ser removido com agitação moderada.
[0043] "Empilhado", para uso na presente invenção, significa colocar pelo menos duas camadas de componente em proximidade uma à outra de modo que pelo menos uma porção de uma superfície de uma das camadas entre em contato com uma primeira superfície de uma segunda camada. Em alguns exemplos, um revestimento, seja para a adesão ou outras funções, pode residir entre as duas camadas que estão em contato uma com a outra através do dito revestimento.
[0044] "Trilhos", para uso na presente invenção, refere-se a componentes de elemento de energização capazes de se conectar eletricamente aos componentes de circuito. Por exemplo, trilhos de circuito podem incluir cobre ou ouro quando o substrato é uma placa de circuito impresso, e podem ser cobre, ouro ou um filme impresso em um circuito flexível. Um tipo especial de "Trilho" é o coletor de corrente. Os coletores de corrente são trilhos com compatibilidade eletroquímica que tornam os coletores de corrente adequados para uso na condução de elétrons para e a partir de um ânodo ou cátodo na presença de ele-trólito.
[0045] Os métodos e o aparelho apresentados no presente documento referem-se à formação de elementos de energização biocompa-tíveis para a inclusão em ou sobre dispositivos biocompatíveis tridimensionais ou planos. Uma classe particular de elementos de energização pode ser baterias que são fabricadas em camadas. As camadas podem também ser classificadas como camadas de laminado. Uma batería formada dessa forma pode ser classificada como uma batería laminar.
[0046] Pode haver outros exemplos de como montar e configurar baterias de acordo com a presente invenção, e alguns podem estar descritos nas seções a seguir. No entanto, para muitos destes exemplos, são selecionados parâmetros e características das baterias que podem ser descritos em suas próprias reivindicações. Nas seções a seguir, algumas características e parâmetros serão focados.
EXEMPLO DA CONSTRUÇÃO DO DISPOSITIVO BIOMÉDICO COM ELEMENTOS DE ENERGIZAÇÃO BIOCOMPATÍVEIS
[0047] Um exemplo de um dispositivo biomédico que pode incorporar os Elementos de Energização, baterias, da presente invenção pode ser uma lente de contato de ajuste focal eletroativo. Com referência à Figura 1A, um exemplo de tal elemento de inserção da lente de contato pode ser descrito como elemento de inserção da lente de contato 100. No elemento de inserção da lente de contato 100, pode haver um elemento eletroativo 120 que pode acomodar as mudanças de característica focal em resposta às tensões de controle. Um circuito 105 para fornecer esses sinais de tensão de controle, bem como para fornecer outras funções, como detecção de controle do ambiente para sinais de controle externos, pode ser energizado por um elemento da batería biocompatível 110. Conforme descrito na Figura 1A, o elemento de batería 110 pode ser observado como múltiplas peças principais, neste caso, três peças, e pode incluir as várias configurações dos elementos de química da bateria, conforme foi discutido. O elemento de bateria 110 pode ter várias características de interconexão para unir peças como pode ser retratado subjacente à região de interconexão 114. O elemento de bateria 110 pode ser conectado a um elemento de circuito que pode ter seu próprio substrato 111, no qual as características de interconexão 125 podem estar localizadas. O circuito 105, que pode estar na forma de um circuito integrado, pode ser eletricamente e fisicamente conectado ao substrato 111 e seus recursos de interconexão 125.
[0048] Com referência à Figura 1B, um alívio em seção transversal de uma lente de contato 150 pode compreender o elemento de inserção da lente de contato 100 e seus constituintes discutidos. O elemento de inserção da lente de contato 100 pode ser encapsulado em uma saia do hidrogel da lente de contato 155, que pode encapsular o elemento de inserção da lente de contato 100 e fornecer uma interface confortável da lente de contato 150 aos olhos de um usuário.
[0049] Em referência aos conceitos da presente invenção, os elementos de bateria podem ser formados em uma forma bidimensional, conforme descrito na Figura 1C. Nesta representação pode haver duas regiões principais das células de bateria nas regiões do componente da batería 165 e do segundo componente da batería na região do elemento químico da batería 160. Os elementos de batería, que são descritos na forma plana na Figura 1C, podem conectar a um elemento de circuito 163 que, no exemplo da Figura 1C, pode compreender duas áreas de circuito principais 167. O elemento de circuito 163 pode se conectar ao elemento da bateria em um contato elétrico 161 e um contato físico 162. A estrutura plana pode ser dobrada em uma estrutura cônica tridimensional, conforme foi descrito com relação à presente invenção. Nesse processo, um segundo contato eléctrico 166 e um segundo contato físico 164 podem ser usados para conectar e estabilizar fisicamente a estrutura tridimensional. Com referência à Figura 1D, uma representação dessa estrutura cônica tridimensional 180 pode ser observada. Os pontos de contato físico e elétrico 181 podem também ser observados, e a ilustração pode ser vista como uma vista tridimensional da estrutura resultante. Essa estrutura pode incluir o componente de bateria e elétrico modular que será incorporado como um elemento de inserção da lente em um dispositivo biocompatível. ESQUEMAS DA BATERIA SEGMENTADA
[0050] Com referência à Figura 2, um exemplo de diferentes tipos de sistemas de bateria segmentada é mostrado por um elemento da bateria exemplificador para um exemplo de tipo de lente de contato. Os componentes segmentados podem estar relativamente no formato circular 271, formato quadrado 272 ou formato retangular. Nos exemplos na forma retangular, os retângulos podem ser pequenas formas retangulares 273, formas retangulares maiores 274, ou formas retangulares ainda maiores 275.
FORMAS PERSONALIZADAS DOS ELEMENTOS DE BATERIA PLANA
[0051] Em alguns exemplos de baterias biocompatíveis, as baterias podem ser formadas como elementos planos. Com referência à Fi- gura 3A, um exemplo de um contorno retangular 310 do elemento de batería pode ser descrito com uma conexão do ânodo 311 e uma conexão de cátodo 312. Com referência à Figura 3B, um exemplo de um contorno retangular 330 do elemento de batería pode ser descrito com uma conexão do ânodo 331 e uma conexão de cátodo 332.
[0052] Em alguns exemplos de baterias no formato plano, os contornos da forma da bateria podem ser dimensionalmente e geometricamente configurados para se adaptarem a produtos personalizados. Além de exemplos com contornos retangulares ou circulares, contornos feitos sob encomenda com "formato livre" ou de "forma livre" podem ser formados, os quais podem permitir a configuração da bateria para ser otimizada para se ajustar no interior de um determinado produto.
[0053] No caso do dispositivo biomédico exemplificador de uma ótica variável, um exemplo "de formato livre" de um contorno plano pode estar na forma arqueada. A forma livre pode ser de tal geometria que, quando formada em um formato tridimensional, pode tomar a forma de uma saia cônica anular, que encaixa dentro dos limites de construção de uma lente de contato. Pode ser claro que geometrias benéficas similares podem ser formadas onde dispositivos médicos têm exigências restritivas de formato 2D ou 3D.
ASPECTOS DE BIQCOMPATIBILIDADE DAS BATERIAS
[0054] Como um exemplo, as baterias de acordo com a presente invenção podem ter aspectos importantes relacionados à segurança e à biocompatibilidade. Em alguns exemplos, as baterias para dispositivos biomédicos podem precisar cumprir as exigências acima, e além das mesmas para cenários típicos de uso. Em alguns exemplos, os aspectos de projeto podem ser considerados relacionados aos eventos de tensão. Por exemplo, a segurança de uma lente de contato eletrônica pode precisar ser considerada no evento em que um usuário que- bra a lente durante a inserção ou remoção. Em um outro exemplo, os aspectos de projeto podem considerar o potencial de um usuário ser atingido no olho por um objeto estranho. Ainda outros exemplos de condições de estresse que podem ser consideradas no desenvolvimento de parâmetros de projeto e restrições podem estar relacionados com o potencial de um usuário usar a lente em ambientes desafiadores como o ambiente sob a água ou o ambiente em alta altitude, em exemplos não limitantes.
[0055] A segurança de tal dispositivo pode ser influenciada pelos materiais dos quais o dispositivo é formado, pelas quantidades desses materiais empregados na fabricação do dispositivo, e também pela embalagem aplicada para separar os dispositivos do ou no ambiente corporal circundante. Em um exemplo, marcapassos podem ser um tipo típico de dispositivo biomédico que pode incluir uma bateria e que pode ser implantado em um usuário por um período prolongado de tempo. Consequentemente, em alguns exemplos, tais marcapassos podem ser tipicamente embalados com invólucros herméticos de titânio, soldados ou em outros exemplos, múltiplas camadas de encapsu-lamento. Dispositivos biomédicos emergentes alimentados podem apresentar novos desafios para a embalagem, especificamente a embalagem de bateria. Esses novos dispositivos podem ser muito menores que os dispositivos biomédicos existentes, por exemplo, uma lente de contato eletrônica ou câmera de pílula podem ser significativamente menores que um marcapasso. Nesses exemplos, o volume e a área disponível para embalagem podem ser muito reduzidos.
EXIGÊNCIAS ELÉTRICAS DE MICROBATERIAS
[0056] Outra área para considerações de projeto pode se referir às exigências elétricas do dispositivo, que podem ser fornecidas pela bateria. A fim de funcionar como uma fonte de energia para um dispositivo médico, uma bateria apropriada pode precisar cumprir as exigên- cias elétricas totais do sistema ao operar em um modo não conectado ou não externamente alimentado. Um campo crescente de dispositivos biomédicos não conectados ou não externamente alimentados pode incluir, por exemplo, lentes de contato de correção de visão, dispositivos de monitoramento de saúde, câmeras de pílula e dispositivos novos. Os desenvolvimentos recentes na tecnologia de circuito integrado (Cl) podem permitir operação elétrica significante em níveis de corrente muito baixos, por exemplo, picoamps de corrente no modo de espera e microamps de corrente operacional. Os circuitos integrados podem também permitir dispositivos muito pequenos.
[0057] Microbaterias para aplicações biomédicas podem ser necessárias para cumprir muitas exigências desafiantes simultâneas. Por exemplo, pode ser necessário que a microbateria tenha a capacidade de administrar uma tensão operacional adequada em um circuito elétrico incorporado. Essa tensão operacional pode ser influenciada por vários fatores, incluindo o nó do processo de Cl, a tensão de saída do circuito a outro dispositivo e um alvo de consumo da corrente particular, que também pode se referir a um ciclo de vida do dispositivo desejado.
[0058] Com relação ao processo de Cl, os nós podem tipicamente ser diferenciados pelo tamanho de recurso mínimo de um transistor, como o chamado canal do transistor. Esta característica física, juntamente com outros parâmetros de fabricação de IC como a espessura do óxido de porta, pode estar associada a um padrão de classificação resultante de voltagens de "ligação" ou de "limiar" de transistores de efeito de campo (FET) fabricados no dado nó do processo. Por exemplo, em um nó com um tamanho de recurso mínimo de 0,5 mícron, pode ser comum encontrar FETs com tensões ligadas de 5,0 V. Entretanto, em um tamanho mínimo de recurso de 90 nm, os FETs podem ligar a 1,2, 1,8 e 2,5 V. A fundição de Cl pode fornecer células padrão de blocos digitais, por exemplo, inversores e flip-flops que foram caracterizados e classificados para uso com certas faixas de tensão. Os projetistas escolheram um nó de processo de Cl com base em vários fatores, incluindo a densidade dos dispositivos digitais, dispositivos de sinal misturado analógico/digital, corrente de fuga, camadas de fiação e disponibilidade de dispositivos especiais como FET de alta tensão. Dados esses aspectos paramétricos dos componentes elétricos, que podem remover a energia de uma microbateria, pode ser importante que a fonte de energia da microbateria seja combinada com as exigências do nó do processo escolhido e projeto do Cl, especialmente em termos de tensão e corrente disponíveis.
[0059] Em alguns exemplos, um circuito elétrico alimentado por uma microbateria pode se conectar a outro dispositivo. Nos exemplos não limitadores, o circuito elétrico alimentado por microbateria pode se conectar a um atuador ou um transdutor. Dependendo da aplicação, os mesmos podem incluir um diodo emissor de luz (LED), um sensor, uma bomba do sistema microeletromecânico (MEMS), ou vários outros destes dispositivos. Em alguns exemplos, estes dispositivos conectados podem exigir condições de tensão operacional mais elevadas do que os nós de processo de Cl comuns. Por exemplo, uma lente de foco variável pode exigir 35 V para ativar. A tensão operacional fornecida pela batería pode, assim, ser uma consideração crítica ao projetar tal sistema. Em alguns exemplos deste tipo de consideração, a eficiência de um condutor de lente para produzir uma batería de 35 V a partir de uma bateria de 1 V, pode ser significativamente menor do que poderia ser quando operando a partir de uma bateria de 2 V. Outras exigências, como tamanho da matriz, podem ser dramaticamente diferentes, considerando também os parâmetros operacionais da microbateria.
[0060] As células de bateria individuais podem normalmente ser classificadas com voltagens de circuito aberto, carregadas e de corte. A tensão de circuito aberto é o potencial produzido pela célula de batería com infinita resistência de carga. A tensão carregada é o potencial produzido pela célula com uma impedância de carga apropriada e, tipicamente, também especificada, colocada através dos terminais da célula. A tensão de corte é tipicamente uma tensão na qual a maioria das baterias foi descarregada. A tensão de corte pode representar uma tensão ou grau de descarga, abaixo do qual a bateria não deve ser descarregada para evitar efeitos prejudiciais, como emissão de gases em excesso. A tensão de corte pode tipicamente ser influenciada pelo circuito ao qual a bateria está conectada, não apenas a própria bateria, por exemplo, a tensão operacional mínima do circuito eletrônico. Em um exemplo, uma célula alcalina pode ter uma tensão de circuito aberto de 1,6 V, uma tensão carregada na faixa de 1,0 a 1,5 V e uma tensão de corte de 1,0 V. A tensão de um dado projeto da célula da microbateria pode depender de outros fatores da química da célula empregados. E, a química da célula diferente pode, assim, ter diferentes tensões de célula.
[0061] As células podem ser conectadas em série para aumentar a tensão, entretanto, essa combinação pode apresentar desvantagens para o tamanho, resistência interna e complexidade da bateria. As células também podem ser combinadas em configurações paralelas para diminuir a resistência e aumentar a capacidade; no entanto, tal combinação pode ter desvantagem no tamanho e na vida útil.
[0062] A capacidade de bateria pode ser a capacidade de uma bateria fornecer corrente, ou realizar trabalho, por um período de tempo. A capacidade da bateria pode tipicamente ser especificada em unidades, como microampere-hora. Uma bateria que pode fornecer 1 micro-ampere de corrente por 1 hora tem 1 microampere-hora de capacidade. A capacidade pode tipicamente ser elevada aumentando-se a massa (e, assim, o volume) de reagentes dentro de um dispositivo de batería; entretanto, pode ser observado que os dispositivos biomédicos podem ser significativamente restritos ao volume disponível. A capacidade de batería pode também ser influenciada pelo eletrodo e material eletrolítico.
[0063] Dependendo das exigências do circuito no qual a batería está conectada, uma batería pode ser necessária para estimular a corrente sobre uma faixa de valores. Durante o armazenamento antes do uso ativo, uma corrente de fuga na ordem de picoamps a nanoamps pode fluir através dos circuitos, interconexões e isoladores. Durante a operação ativa, o circuito pode consumir a corrente quiescente para os sensores de amostra, temporizadores e realizar tais funções de consumo baixo de energia. O consumo de corrente quiescente pode ser na ordem de nanoamps a milliamps. O circuito pode também ter demandas de corrente de pico mais elevadas, por exemplo, ao gravar uma memória flash ou comunicar por radiofrequência (RF). Essa corrente de pico pode se estender a dezenas de miliamperes ou mais. A resistência e a impedância de um dispositivo de microbateria podem também ser importantes para as considerações do projeto.
[0064] A vida útil tipicamente se refere ao período de tempo que uma batería pode sobreviver no armazenamento e ainda manter os parâmetros de funcionamento úteis. A vida útil pode ser particularmente importante para os dispositivos biomédicos por vários motivos. Os dispositivos eletrônicos podem deslocar os dispositivos não alimentados, como, por exemplo, pode ser o caso para a introdução de uma lente de contato eletrônica. Os produtos nesses espaços de mercado podem ter exigências de vida útil estabelecidas, por exemplo, três anos, devido ao cliente, cadeia de suprimentos e outras exigências. Pode ser tipicamente desejável que estas especificações não sejam alteradas para novos produtos. Os requisitos de vida útil também podem ser de- finidos pelos métodos de distribuição, estoque e uso de um dispositivo, incluindo uma microbateria. Consequentemente, as microbaterias para os dispositivos biomédicos podem ter exigências de vida útil específicas, que podem ser, por exemplo, medidas em número de anos.
[0065] Em alguns exemplos, os elementos de energização tridimensionais podem ser recarregáveis Por exemplo, uma bobina indutiva também pode ser fabricada na superfície tridimensional. A bobina indutiva poderia, então, ser energizada com uma base de radiofrequência ("RF"). A bobina indutiva pode ser conectada ao elemento de energização biocompatível tridimensional para recarregar o elemento de energização quando a RF é aplicada à bobina indutiva. Em um outro exemplo, fotovoltaicos também podem ser fabricados na superfície tridimensional e conectados ao elemento de energização biocompatível tridimensional. Quando expostos à luz ou fótons, os fotovoltaicos produzirão elétrons para recarregar o elemento de energização.
[0066] Em alguns exemplos, uma bateria pode funcionar para fornecer uma energia elétrica para um sistema elétrico. Nesses exemplos, a bateria pode ser eletricamente conectada ao circuito do sistema elétrico. As conexões entre um circuito e uma bateria podem ser classificadas como interconexões. Estas interconexões podem se tornar cada vez mais desafiantes para microbaterias biomédicas devido a vários fatores. Em alguns exemplos, os dispositivos biomédicos podem ser muito pequenos, permitindo, assim, uma área e um volume pequenos para interconexões. As restrições de tamanho e área podem im-pactar na resistência elétrica e confiabilidade das interconexões.
[0067] Em outros aspectos, uma bateria pode conter um eletrólito líquido, que poderia ferver em temperaturas altas. Essa restrição pode competir diretamente com o desejo de utilizar a interconexão, que pode, por exemplo, exigir temperaturas relativamente altas, como 250 graus Celsius para fusão. Embora em alguns exemplos a química da batería, incluindo o eletrólito, e a fonte de calor usada para formar in-terconexões baseadas em solda, podem ser isoladas espacialmente entre si. Nos casos de dispositivos biomédicos emergentes, o tamanho pequeno pode excluir a separação de eletrólito e juntas de solda em distância suficiente para reduzir a condução de calor. INTERCQNEXÕES
[0068] As interconexões podem permitir que a corrente flua para e a partir da bateria em conexão com um circuito externo. Tais interconexões podem interagir com os ambientes dentro e fora da bateria, e podem cruzar a fronteira ou vedação entre esses ambientes. Essas interconexões podem ser consideradas como trilhos, fazendo conexões a um circuito externo, passando pela vedação da bateria e, então, se conectando aos coletores de corrente dentro da bateria. Assim, essas interconexões podem ter várias exigências. Fora da bateria, as interconexões podem parecer trilhos de circuito impresso típicos. As mesmas podem ser soldadas ou, de outro modo, conectadas a outros trilhos. Em um exemplo onde a bateria é um elemento físico separado de uma placa de circuito compreendendo um circuito integrado, a in-terconexão da bateria pode permitir a conexão ao circuito externo. Essa conexão pode ser formada com solda, fita condutiva, tinta condutiva ou epóxi, ou outros meios. Os trilhos de interconexão podem precisar sobreviver no ambiente fora da bateria, por exemplo, sem corrosão na presença de oxigênio.
[0069] Conforme uma interconexão passa pela vedação da bateria, pode ser de crítica importância que a interconexão coexista com a vedação e permita a vedação. Pode ser necessário adesão entre a vedação e a interconexão, além da adesão que pode ser necessária entre a vedação e a embalagem da bateria. A integridade da vedação pode precisar ser mantida na presença de eletrólito e outros materiais dentro da bateria. As interconexões, que podem tipicamente ser metá- licas, podem ser conhecidas como pontos de falha na embalagem da batería. O potencial elétrico e/ou fluxo da corrente podem aumentar a tendência do eletrólito "se arrastar" ao longo da interconexão. Consequentemente, uma interconexão pode precisar ser fabricada para manter a integridade da vedação.
[0070] Dentro da batería, as interconexões podem fazer interface com os coletores de corrente ou podem formar realmente os coletores de corrente. Nesse sentido, a interconexão pode precisar atender às exigências dos coletores de corrente, conforme descrito aqui, ou pode precisar formar uma conexão elétrica nesses coletores de corrente.
[0071] Uma classe de interconexões candidatas e coletores de corrente é folhas metálicas. Tais folhas são disponíveis na espessura de 25 mícrons ou menos, o que as tornam adequadas para baterias muito finas. Tal folha também pode ser obtida com baixa rugosidade e contaminação de superfície, dois fatores que podem ser críticos para o desempenho da batería. Essas folhas metálicas incluem zinco, níquel, latão, cobre, titânio, outros metais e várias ligas.
ELETRÓLITO
[0072] Um eletrólito é um componente de uma bateria que facilita para que uma reação química ocorra entre os materiais químicos dos eletrodos. Os típicos eletrólitos podem ser eletroquimicamente ativos aos eletrodos, por exemplo, permitindo que as reações de oxidação e redução ocorram. Em alguns exemplos, essa importante atividade ele-troquímica pode fazer um desafio para criar dispositivos que sejam bi-ocompatíveis. Por exemplo, hidróxido de potássio (KOH) pode ser um eletrólito geralmente usado em células alcalinas. Em alta concentração, o material tem um alto pH e pode interagir desfavoravelmente com vários tecidos vivos. Por outro lado, em alguns exemplos, os eletrólitos podem ser empregados, em que podem ser menos eletroquimicamente ativos; entretanto, esses materiais podem tipicamente re- sultar no desempenho elétrico reduzido, como tensão da célula reduzida e resistência da célula elevada. Consequentemente, um aspecto principal do projeto e da engenharia de uma microbateria biomédica pode ser o eletrólito. Pode ser desejável que o eletrólito seja suficientemente ativo para cumprir as exigências elétricas, enquanto também seja relativamente seguro para uso dentro ou sobre o corpo.
[0073] Vários cenários de teste podem ser usados para determinar a segurança dos componentes de batería, em particular, eletrólitos, em células vivas. Esses resultados, em conjunto com os testes da embalagem da batería, podem permitir o projeto da engenharia de um sistema de batería que pode atender às exigências. Por exemplo, ao desenvolver uma lente de contato energizada, os eletrólitos da batería podem ser testados em um modelo celular da córnea humana. Esses testes podem incluir experimentos na concentração do eletrólito, tempo de exposição e aditivos. Os resultados destes testes podem indicar o metabolismo da célula e outros aspectos fisiológicos. Testes também podem incluir testes em animais e humanos in vivo.
[0074] Os eletrólitos para uso na presente invenção podem incluir cloreto de zinco, acetato de zinco, acetato de amônio e cloreto de amônio em concentrações de massa de aproximadamente 0,1 por cento a 50 por cento, e, em um exemplo não limitador, pode ser aproximadamente 25 por cento. As concentrações específicas podem depender da atividade eletroquímica, desempenho da batería, vida útil, integridade de vedação e biocompatibilidade.
[0075] Em alguns exemplos, várias classes de aditivos podem ser usadas na composição de um sistema de bateria. Os aditivos podem ser misturados na base de eletrólito para alterar suas características. Por exemplo, agentes gelificantes, como ágar, podem reduzir a capacidade do eletrólito de vazar da embalagem, assim, aumentando a segurança. Os inibidores de corrosão podem ser adicionados ao eletróli- to, por exemplo, para melhorar a vida útil, reduzindo a dissolução in-desejada do ânodo de zinco no eletrólito. Esses inibidores podem positivamente ou adversamente afetar o perfil de segurança da bateria. Agentes umidificantes ou tensoativos podem ser adicionados, por exemplo, para permitir que o eletrólito umedeça o separador ou seja preenchido na embalagem da bateria. Novamente, esses agentes umidificantes podem ser positivos ou negativos quanto à segurança. A adição de tensoativo ao eletrólito pode aumentar a impedância elétrica da célula. Consequentemente, a concentração mais baixa de tensoativo para atingir a umidificação desejada ou outras propriedades deve ser utilizada. Os tensoativos exemplificadores podem incluir Triton® X-100, Triton® QS44 e Dowfax® 3B2 em concentrações de 0,01 por cento a 2 por cento.
[0076] Novos eletrólitos que estão também surgindo podem melhorar muito o perfil de segurança das microbaterias biomédicas. Por exemplo, uma classe de eletrólitos sólidos pode ser inerentemente resistente ao vazamento, enquanto ainda oferece desempenho elétrico adequado.
[0077] As baterias utilizando eletrólito de "água salgada" são geralmente usadas nas células reservas para uso marítimo. Torpedos, boias e luzes de emergência podem utilizar essas baterias. As células reservas são baterias nas quais os materiais ativos, os eletrodos e eletrólitos são separados até o tempo de uso. Devido a essa separação, a "autodescarga" das células é muito reduzida e a vida útil é muito elevada. As baterias de água salgada podem ser projetadas de uma variedade de materiais de eletrodo, incluindo zinco, magnésio, alumínio, cobre, latão, dióxido de manganês e óxido de prata. O eletrólito pode ser água do oceano real, por exemplo, água do oceano inundando a bateria sob contato, ou pode ser uma formulação salina especialmente fabricada. Esse tipo de bateria pode ser particularmente útil em lentes de contato. Um eletrólito salino pode ter biocompatibilidade superior a eletrólitos clássicos, como hidróxido de potássio e cloreto de zinco. As lentes de contato são armazenadas em uma "solução de embalagem", que é tipicamente uma mistura de cloreto de sódio, talvez com outros sais e agentes de tamponamento. Essa solução foi demonstrada como um eletrólito de bateria em combinação com um ânodo de zinco e dióxido de cátodo de manganês. Outras combinações de eletrólito e eletrodo são possíveis. Uma lente de contato que usa uma bateria de "água salgada" pode compreender um eletrólito com base em cloreto de sódio, solução de embalagem, ou ainda um eletrólito especialmente fabricado semelhante ao fluido lacrimal. Tal bateria podería, por exemplo, ser ativada com solução de embalagem, manter uma abertura ao olho e continuar operando com exposição a lágrimas humanas.
[0078] Além disso, ou em vez disso, possíveis benefícios para biocompatibilidade com o uso de um eletrólito mais semelhante a lágrimas, ou realmente usando lágrimas, uma célula reserva pode ser usada para atender às exigências de vida útil de um produto de lente de contato. As lentes de contato típicas são especificadas para armazenamento de 3 anos ou mais. Este é um requisito desafiador para uma bateria com uma embalagem pequena e fina. Uma célula reserva para uso em uma lente de contato pode ter um projeto similar ao mostrado nas Figuras 1 e 3, mas o eletrólito pode não ser adicionado no momento de fabricação. O eletrólito pode ser armazenado em uma ampo-la dentro da lente de contato e conectado à bateria, ou a salina ao redor da bateria pode ser usada como o eletrólito. Dentro da lente de contato e embalagem da bateria, uma válvula ou porta podem ser projetadas para separar o eletrólito dos eletrodos até o usuário ativar as lentes. Mediante ativação, talvez simplesmente beliscando a borda da lente de contato similar à ativação de um bastão fluorescente, o eletrólito pode fluir para a bateria e formar uma via iônica entre os eletrodos.
Isto pode envolver uma única transferência do eletrólito ou pode expor a batería para difusão continuada.
[0079] Alguns sistemas de batería podem usar ou consumir eletrólito durante a reação química. Consequentemente, pode ser necessário projetar um determinado volume de eletrólito no sistema embalado. Esse eletrólito pode ser armazenado em várias localizações, incluindo o separador ou um reservatório.
[0080] Em alguns exemplos, um projeto de um sistema de batería pode incluir um componente, ou componentes, que podem funcionar para limitar a capacidade de descarga do sistema de batería. Por exemplo, pode ser desejável projetar os materiais e quantidades de materiais do ânodo, cátodo, ou eletrólito de modo que um deles possa ser esgotado primeiro durante o curso das reações no sistema de batería. Neste exemplo, a depleção de um dentre o ânodo, catodo ou eletrólito pode reduzir o potencial para descarga problemática e reações colaterais não ocorrem em tensões de descarga menores. Essas reações problemáticas podem produzir, por exemplo, gás excessivo ou subprodutos que poderíam ser prejudiciais à segurança e outros fatores.
COMPONENTES DA BATERÍA MODULAR
[0081] Em alguns exemplos, um componente de bateria modular pode ser formado de acordo com alguns aspectos e exemplos da presente invenção. Nesses exemplos, o conjunto da bateria modular pode ser um componente separado de outras partes do dispositivo biomédi-co. No exemplo de um dispositivo de lente de contato oftálmica, esse projeto pode incluir uma bateria modular que é separada do resto de uma inserção de mídia. Pode haver várias vantagens para formar um componente de bateria modular. Por exemplo, no exemplo da lente de contato, um componente de bateria modular pode ser formado em um processo não integrado que pode aliviar a necessidade de gerenciar componentes plásticos ópticos rígidos tridimensionalmente formados. Além disso, as fontes de fabricação podem ser mais flexível e podem operar em um modo mais paralelo à fabricação de outros componentes no dispositivo biomédico. Além disso, a fabricação dos componentes de batería modular pode ser dissociada das características de dispositivos em formato tridimensional (3D). Por exemplo, nas aplicações que exigem formas finais tridimensionais, um sistema de batería modular pode ser fabricado em um plano ou em uma perspectiva aproximadamente bidimensional (2D), e, então, formado na forma tridimensional correta. Um componente de batería modular pode ser testado independentemente do resto do dispositivo biomédico, e a perda de rendimento devido aos componentes de bateria pode ser classificada antes da montagem. O componente de bateria modular resultante pode ser utilizado em vários constructos do elemento de inserção do meio que não têm uma região rígida apropriada na qual os componentes de bateria possam ser formados; e, em outro exemplo, o uso de componentes de bateria modular pode facilitar o uso de diferentes opções de tecnologias de fabricação que podem, de outra forma, ser utilizadas, como tecnologia com base em manta (rolo para rolo), tecnologia com base em lâmina (lâmina para lâmina), impressão, litografia e processamento por "rodo". Em alguns exemplos de uma bateria modular, o aspecto de contenção discreta de tal dispositivo pode resultar em material adicional a ser adicionado em todo o constructo de dispositivo biomédico. Tais efeitos podem definir uma restrição para o uso de soluções da bateria modular quando os parâmetros de espaço disponível exigem espessura ou volume de soluções minimizados.
[0082] As exigências de formato da bateria podem ser acionadas, pelo menos em parte, pela aplicação na qual a bateria deverá ser usada. Os fatores de forma da bateria tradicionais podem ser formas cilíndricas ou prismas retangulares, feitos de metal, e podem ser orienta- dos em direção aos produtos que exigem grandes quantidades de energia por longas durações. Essas aplicações podem ser grandes suficientes para que possam compreender baterias de fator de forma grande. Em um outro exemplo, as baterias planas em estado sólido (2D) são prismas retangulares finos, tipicamente formados sob silicone ou vidro inflexível. Estas baterias no estado sólido planas podem ser formadas em alguns exemplos usando tecnologias de processamento de pastilha de silício. Em um outro tipo de fator de forma de bateria, baterias de baixa potência, flexíveis podem ser formadas em um cons-tructo de bolsa, usando finas folhas metálicas ou plástico para conter a química da bateria. Essas baterias podem ser feitas planas (2D) e podem ser projetadas para funcionar quando curvadas a uma curvatura modesta fora do plano (3D).
[0083] Em algumas das aplicações de exemplos da bateria na presente invenção, onde a bateria pode ser empregada em uma lente óptica variável, o fator de forma pode exigir uma curvatura tridimensional do componente de bateria onde um raio dessa curvatura pode estar na ordem de aproximadamente 8,4 mm. A natureza de tal curvatura pode ser considerada relativamente íngreme, e, por referência, pode se aproximar do tipo de curvatura observado em uma ponta de dedo humano. A natureza de uma curvatura relativa íngreme cria aspectos desafiantes para fabricação. Em alguns exemplos da presente invenção, um componente de bateria modular pode ser desenhado de modo que possa ser fabricado em uma forma plana bidimensional e, então, formado em uma forma tridimensional da curvatura relativa alta. ESPESSURA DO MÓDULO DA BATERIA
[0084] Ao projetar os componentes de bateria para aplicações bi-omédicas, compensações entre os vários parâmetros podem ser feitas, equilibrando as exigências técnicas, de segurança e funcionais. A espessura do componente de bateria pode ser um parâmetro impor- tante e limitador. Por exemplo, em uma aplicação de lente óptica, a capacidade de um dispositivo ser confortavelmente desgastado por um usuário pode ter uma dependência crítica da espessura através do dispositivo biomédico. Portanto, pode ser crítico permitir aspectos na concepção de batería para resultados mais finos. Em alguns exemplos, a espessura da batería pode ser determinada pelas espessuras combinadas das espessuras das folhas superior e inferior, lâminas es-paçadoras e camada adesiva. Os aspectos práticos de fabricação podem conduzir certos parâmetros da espessura do filme para valores padrão no estoque de lâmina disponível. Além disso, os filmes podem ter valores mínimos de espessura aos quais os mesmos podem ser especificados com base em considerações técnicas referentes à compatibilidade química, umidade/impermeabilidade a gás, acabamento da superfície e compatibilidade com revestimentos que podem ser depositados sobre as camadas de filme.
[0085] Em alguns exemplos, uma espessura desejada ou alvo de um componente de batería finalizado pode ser uma espessura de componente que seja menor que 220 pm. Nesses exemplos, essa espessura desejada pode ser conduzida pela geometria tridimensional de um dispositivo de lente oftálmica exemplificador onde o componente de bateria pode precisar ser encaixado dentro do volume disponível, definido por uma forma de lente de hidrogel, dado o conforto do usuário final, a biocompatibilidade e as restrições de aceitação. Esse volume e seu efeito nas necessidades do componente de espessura da bateria podem ser uma função de especificação de espessura total de dispositivo, bem como de especificação de dispositivo referente à sua largura, ângulo de conicidade e diâmetro interno. Uma outra consideração de projeto importante para o projeto de componente de bateria resultante pode se referir ao volume disponível para químicas de bateria ativa e materiais em um dado projeto do componente de bateria com relação à energia química resultante que pode resultar desse projeto. Essa energia química resultante pode então ser equilibrada para as exigências elétricas de um dispositivo biomédico funcional para sua vida útil alvo e condições operacionais alvo.
FLEXIBILIDADE DO MÓDULO DE BATERÍA
[0086] Em outra dimensão de relevância ao projeto da bateria e ao projeto dos dispositivos relacionados que utilizam fontes de energia com base em bateria é a flexibilidade do componente de bateria. Pode haver várias vantagens conferidas por formas de bateria flexíveis. Por exemplo, um módulo de bateria flexível pode facilitar a capacidade previamente mencionada de fabricar a forma de bateria em uma forma plana bidimensional (2D). A flexibilidade da forma pode permitir que a bateria bidimensional seja, então, formada em um formato apropriado 3D para encaixar em um dispositivo biomédico, como uma lente de contato.
[0087] Em um outro exemplo dos benefícios que podem ser conferidos pela flexibilidade no módulo de bateria, se a bateria e o dispositivo subsequente forem flexíveis, então, pode haver vantagens referentes ao uso do dispositivo. Em um exemplo, uma forma de lente de contato de um dispositivo biomédico pode ter vantagens para inser-ção/remoção do elemento de inserção do meio com base na lente de contato que podem estar mais próximas da inserção/remoção de uma lente de contato de hidrogel não preenchida padrão.
[0088] O número de dobramentos pode ser importante ao criar a bateria. Por exemplo, uma bateria que pode se flexionar apenas uma vez, de uma forma plana para um formato adequado para uma lente de contato, pode ter projeto significativamente diferente de uma bateria capaz de múltiplas flexões. A flexão da bateria pode também se estender além da capacidade para mecanicamente sobreviver ao evento de flexão. Por exemplo, um eletrodo pode ser fisicamente capaz de se flexionar sem se quebrar, mas as propriedades mecânicas e eletro-químicas do eletrodo podem ser alteradas pela flexão. As mudanças induzidas pela flexão podem aparecer instantaneamente, por exemplo, como mudanças na impedância, ou a flexão pode introduzir mudanças que são evidentes apenas em testes de vida útil a longo prazo. LARGURA DO MÓDULO DE BATERÍA
[0089] Pode haver várias aplicações nas quais os elementos de energização biocompatíveis ou baterias da presente invenção podem ser utilizados. No geral, a exigência de largura da batería pode ser amplamente uma função da aplicação na qual está aplicada. Em um caso exemplificador, um sistema de batería de lente de contato pode ter necessidades restritas para a especificação da largura de um componente de bateria modular. Em alguns exemplos de um dispositivo oftálmico, onde o dispositivo tem uma função óptica variável alimentada por um componente de bateria, a porção óptica variável do dispositivo pode ocupar uma região esférica central de cerca de 7,0 mm de diâmetro. Os elementos de bateria exemplificadores podem ser considerados como um objeto tridimensional, que se encaixa como uma saia anular, cônica ao redor da óptica central e formada em um anel cônico truncado. Se o diâmetro máximo necessário do elemento de inserção rígido for um diâmetro de 8,50 mm e tangência a uma certa esfera do diâmetro puder ser direcionada (como, por exemplo, em um diâmetro de aproximadamente 8,40 mm), então, a geometria pode ditar qual a largura permissível da bateria. Pode haver modelos geométricos que podem ser úteis para calcular as especificações desejáveis para a geometria resultante que, em alguns exemplos, pode ser chamada de tronco cônico achatado em um setor de um ânulo.
[0090] A largura da bateria achatada pode ser conduzida por dois recursos do elemento de bateria, os componentes ativos de bateria e a largura de vedação. Em alguns exemplos referentes aos dispositivos oftálmicos, uma espessura alvo pode estar entre 0,100 mm e 0,500 mm cada lado, e os componentes ativos de batería podem ser direcionados a aproximadamente 0,800 mm de largura. Outros dispositivos biomédicos podem ter restrições de projeto diferentes, mas os princípios para elementos de batería planos flexíveis podem ser aplicados de forma similar.
CAVIDADES COMO ELEMENTOS DE PROJETO NO PROJETO DO COMPONENTE DE BATERÍA
[0091] Em alguns exemplos, os elementos de batería podem ser projetados em formas que segmentem as regiões de química da batería ativa. Pode haver várias vantagens da divisão dos componentes ativos de batería em segmentos discretos. Em um exemplo não limitador, a fabricação de elementos discretos e semelhantes pode facilitar a produção dos elementos. A função dos elementos de batería, incluindo vários elementos menores, pode ser melhorada. Defeitos de vários tipos podem ser segmentados, e elementos não funcionais podem ser isolados em alguns casos para resultar na perda reduzida de função. Isso pode ser relevante nos exemplos onde a perda de eletrólito de batería pode ocorrer. O isolamento de componentes individualizados pode permitir um defeito que resulta no vazamento de eletrólitos fora das regiões críticas da bateria para limitar a perda de função para esse pequeno segmento do elemento de bateria total, enquanto a perda de eletrólito através do defeito poderia esvaziar uma região significativamente maior para baterias configuradas como uma única célula. Células menores podem resultar no volume reduzido de químicas de bateria ativas em toda uma perspectiva, mas a rede de material ao redor de cada uma das células menores pode resultar em um fortalecimento de toda a estrutura.
VEDAÇÕES INTERNAS DO ELEMENTO DE BATERIA
[0092] Em alguns exemplos dos elementos de bateria para uso em dispositivos biomédicos, a ação química da batería envolve química aquosa, onde água, ou umidade, é um constituinte importante para controlar. Assim, pode ser importante incorporar mecanismos de vedação que retardem ou impeçam o movimento de umidade tanto fora quanto dentro do corpo da bateria. Barreiras de umidade podem ser projetadas para manter o nível de umidade interna em um nível projetado, dentro de certa tolerância. Em alguns exemplos, uma barreira de umidade pode ser dividida em duas seções ou componentes; especificamente, a embalagem e a vedação.
[0093] A embalagem pode referir-se ao material principal do fechamento. Em alguns exemplos, a embalagem pode compreender um material a granel. Uma Taxa de Transmissão de Vapor d’Água (WVTR) pode ser um indicador de desempenho, com normas ISO, ASTM que controlam o procedimento de teste, incluindo as condições ambientais operantes durante o teste. De forma ideal, a WVTR para uma boa embalagem da bateria pode ser "zero". Os materiais exempli-ficadores com uma WVTR quase zero podem ser vidro e folhas metálicas. Plásticos, por outro lado, podem ser inerentemente porosos à umidade e podem variar significativamente para diferentes tipos de plástico. Os materiais criados, laminados, ou coextrudados podem geralmente ser híbridos dos materiais de embalagem comuns.
[0094] A vedação pode ser a interface entre duas das superfícies de embalagem. A conexão das superfícies de vedação finaliza o fechamento com a embalagem. Em muitos exemplos, a natureza dos projetos de vedação pode torná-los difíceis de caracterizar quanto a WVTR da vedação devido à dificuldade ao realizar medições usando uma norma ISO ou ASTM, como o tamanho da amostra ou área superficial podem não ser compatíveis com esses procedimentos. Em alguns exemplos, uma forma prática de testar a integridade de vedação pode ser um teste funcional do projeto real da vedação em algumas condições definidas. O desempenho da vedação pode ser uma função do material de vedação, da espessura da vedação, do comprimento da vedação, da largura de vedação e da adesão da vedação ou intimidade para embalar os substratos.
[0095] Em alguns exemplos, as vedações podem ser formadas por um processo de soldagem que pode envolver processamento por calor, a laser, solvente, atrito, ultrassônico ou de arco. Em outros exemplos, as vedações podem ser formadas através do uso de vedantes adesivos, como colas, epóxis, acrílicos, borracha natural e borracha sintética. Outros exemplos podem derivar da utilização de material tipo guarnição, que pode ser formado de cortiça, borracha natural e sintética, poli(tetrafluoroetileno) (PTFE), polipropileno e silicones, para mencionar alguns exemplos não limitadores.
[0096] Em alguns exemplos, as baterias de acordo com a presente invenção podem ser projetadas para ter uma vida operacional especificada. A vida operacional pode ser estimada determinando-se uma quantidade prática de permeabilidade de umidade que pode ser obtida usando um sistema de batería particular e, então, estima-se quando tal vazamento de umidade pode resultar em uma condição de fim da vida útil para a bateria. Por exemplo, se uma batería é armazenada em um ambiente úmido, então, a diferença da pressão parcial entre as partes interna e externa da bateria será mínima, resultando em uma taxa de perda de umidade reduzida e, assim, a vida da bateria pode ser estendida. A mesma bateria exemplificadora armazenada em um ambiente particularmente seco e quente pode ter uma vida útil significativamente reduzida devido à forte função de condução para perda de umidade. SEPARADORES DO ELEMENTO DE BATERIA
[0097] As baterias do tipo descrito na presente invenção podem utilizar um material separador que separa fisicamente e eletricamente o ânodo e as porções coletoras de corrente anódica do cátodo e das porções coletoras de corrente catódica. O separador pode ser uma membrana que é permeável a água e componentes de eletrólito dissolvidos; entretanto, pode tipicamente ser eletricamente não conduto-ra. Enquanto uma miríade de materiais separadores comercialmente disponíveis pode ser conhecida aos versados na técnica, o fator de forma inovador da presente invenção pode apresentar restrições exclusivas na tarefa de seleção do separador, processamento e manuseio.
[0098] Visto que os desenhos da presente invenção podem ter perfis ultrafinos, a escolha pode ser limitada aos materiais separadores mais finos tipicamente disponíveis. Por exemplo, os separadores de aproximadamente 25 mícrons de espessura podem ser desejáveis. Alguns exemplos que podem ser vantajosos podem ser cerca de 12 mícrons de espessura. Pode haver vários separadores comerciais aceitáveis que incluem membranas separadoras de monocamada de polie-tileno microporoso microfibrilado e/ou tricamada de polipropileno-polietileno-polipropileno (PP/PE/PP), como as produzidas pela Celgard (Charlotte, NC). Um exemplo desejável de material separador pode ser a membrana tricamada da Celgard M824 PP/PE/PP, que tem uma espessura de 12 mícrons. Os exemplos alternativos de materiais separadores úteis para exemplos da presente invenção podem incluir membranas separadoras que incluam celulose regenerada (por exemplo, celofane).
[0099] Enquanto as membranas separadoras de tricamada de PP/PE/PP podem ter espessura e propriedades mecânicas vantajosas, devido ao seu caráter poliolefínico, as mesmas podem também apresentar um número de desvantagens que podem precisar ser superadas para tornar as mesmas úteis nos exemplos da presente invenção. O rolo ou o estoque de folhas de materiais separadores de camada tripla de PP/PE/PP podem ter numerosas rugas ou outros erros de forma que podem ser prejudiciais para as tolerâncias em nível de mícron aplicáveis às baterias descritas na presente invenção. Além disso, os separadores de poliolefma podem precisar ser cortados para tolerâncias ultraprecisas para inclusão nos presentes desenhos, o que pode implicar no corte a laser como um método exemplificador para formar coletores de corrente discretos em formas desejáveis com tolerâncias limitadas. Devido ao caráter poliolefínico destes separadores, certos lasers de corte úteis para microfabricação podem empregar comprimentos de onda a laser, por exemplo, 355 nm, que não cortarão as po-liolefínas. As poliolefinas não absorvem consideravelmente a energia a laser, e são, assim, não ablactáveis. Finalmente, os separadores de poliolefina podem não ser inerentemente molháveis por eletrólitos aquosos usados nas baterias aqui descritas.
[00100] No entanto, pode haver métodos para superar estas limitações inerentes de membranas do tipo poliolefínico. A fim de apresentar uma membrana separadora microporosa em um laser de corte de alta precisão para cortar as peças em segmentos de arco ou outros projetos vantajosos do separador, a membrana pode precisar ser plana e sem rugas. Se essas duas condições não forem atendidas, a membrana separadora não pode ser completamente cortada, pois o feixe de corte pode ser inibido, como resultado da desfocagem ou, de outro modo, dispersão da energia a laser incidente. Adicionalmente, se a membrana separadora não for plana e livre de rugas, a precisão da forma e as tolerâncias geométricas da membrana separadora podem não ser suficientemente obtidas. As tolerâncias permissíveis para os separadores dos exemplos atuais podem ser, por exemplo, +0 mícrons e -20 mícrons com relação aos comprimentos característicos e/ou raios. Pode haver vantagens para tolerâncias mais limitadas de +0 mícrons e -10 mícrons, e ainda para tolerâncias de +0 mícrons e -5 mícrons. O material de estoque separador pode ser feito plano e sem ru- gas laminando-se temporariamente o material em um veículo de vidro flotado com um líquido de baixa volatilidade apropriado. Os líquidos de baixa volatilidade podem ter vantagens sobre os adesivos temporários devido à fragilidade da membrana separadora e devido à quantidade de tempo de processamento que pode ser necessária para liberar a membrana separadora de uma camada adesiva. Além disso, em alguns exemplos, foi observado que a obtenção de uma membrana separadora plana e isenta de rugas sobre vidro flotado usando um líquido é muito mais fácil do que usando um adesivo. Antes da laminação, a membrana separadora pode ser feita sem particulados. Isso pode ser obtido pela limpeza ultrassônica da membrana separadora para desalojar quaisquer particulados aderentes à superfície. Em alguns exemplos, o manuseio de uma membrana separadora pode ser feito em um ambiente com baixo teor de partículas adequado, como câmara de fluxo laminar ou uma sala limpa de, pelo menos, classe 10.000. Além disso, o substrato de vidro flotado pode ser feito para que seja livre de particulados lavando-se com um solvente apropriado, limpeza ultrassônica e/ou limpeza com panos de limpeza limpos.
[00101] Enquanto uma ampla variedade de líquidos de baixa volatilidade pode ser usada para a finalidade mecânica de laminar membranas separadoras de poliolefina microporosa em um veículo de vidro flotado, exigências específicas podem ser impostas ao líquido para facilitar o corte a laser subsequente das formas do separador discreto. Uma exigência pode ser que o líquido tenha uma tensão superficial baixa o suficiente para embeber os poros do material separador, o que pode facilmente ser verificado pela inspeção visual. Em alguns exemplos, o material separador se passa de uma cor branca para uma aparência transparente quando o líquido preenche os microporos do material. Pode ser desejável escolher um líquido que possa ser benigno e "seguro" para trabalhadores que forem expostos à preparação e às operações de corte do separador. Pode ser desejável escolher um líquido cuja pressão de vapor possa ser baixa o suficiente, de modo que a evaporação agradável não ocorra durante a escala de tempo de processamento (na ordem de 1 dia). Finalmente, em alguns exemplos, o líquido pode ter potência de solvência suficiente para dissolver os ab-sorvedores de UV vantajosos que podem facilitar a operação de corte a laser. Em um exemplo, foi observado que uma solução de 12 por cento (p/p) de absorvedor de UV de avobenzona em solvente de ben-zoato de benzilo pode atender às exigências previamente mencionadas e pode estar suscetível a facilitar o corte a laser de separadores de poliolefína com alta precisão e tolerância em curta ordem sem um número excessivo de passos do feixe de laser de corte. Em alguns exemplos, os separadores podem ser cortados com um laser no estado sólido bombeado por diodo de 8 W 355 nm nanosegundos usando esta abordagem onde o laser pode ter configurações para atenuação de baixa potência (por exemplo, 3 por cento de potência), uma velocidade moderada de 1 a 10 mm/s e apenas 1 a 3 passos do feixe de laser. Embora essa composição oleosa que absorve UV tenha se provado ser um auxílio no processo de laminação e corte efetivo, outras formulações oleosas podem ser previstas pelos versados na técnica e usadas sem limitação.
[00102] Em alguns exemplos, um separador pode ser cortado enquanto fixado em um vidro flotado. Uma vantagem dos separadores por corte a laser, enquanto fixados a um transportador de vidro flotado, pode ser que uma densidade numérica de separadores muito alta pode ser cortada a partir de uma folha de estoque de separador, bem como semicondutores matriz podem ser densamente dispostos sobre uma pastilha de silicone. Tal abordagem pode fornecer economia de escala e vantagens de processamento paralelas inerentes nos processos do semicondutor. Além disso, a geração de membrana separadora não aproveitável pode ser minimizada. Uma vez que os separadores tenham sido cortados, o fluido de auxílio do processo oleoso pode ser removido por uma série de etapas de extração com solventes miscí-veis, em que a última extração pode ser realizada com um solvente de alta volatilidade, como álcool isopropílico, em alguns exemplos. Os separadores discretos, uma vez extraídos, podem ser indefinidamente armazenados em qualquer ambiente adequado de baixo teor de partículas.
[00103] Conforme previamente mencionado, as membranas sepa-radoras de poliolefina podem ser inerentemente hidrofóbicas e podem precisar ser feitas molháveis por tensoativos aquosos usados nas baterias da presente invenção. Uma abordagem para produzir as membranas separadoras úmidas pode ser tratamento por plasma de oxigênio. Por exemplo, os separadores podem ser tratados por 1 a 5 minutos em 100 por cento de plasma de oxigênio em uma ampla variedade de configurações de potência e taxas de fluxo de oxigênio. Embora essa abordagem possa melhorar a capacidade de umidificação por um tempo, pode ser bem conhecido que as modificações da superfície de plasma fornecem um efeito transiente que pode não durar tempo o suficiente para a umidificação robusta de soluções eletrolíticas. Uma outra abordagem para melhorar a capacidade de umidificação das membranas separadoras pode ser tratar a superfície incorporando-se um tensoativo adequado na membrana. Em alguns casos, o tensoativo pode ser usado em conjunto com um revestimento polimérico hidrofí-lico que permanece dentro dos poros da membrana separadora.
[00104] Em uma outra abordagem, para fornecer mais permanência à capacidade hidrofílica conferida por um tratamento de plasma oxida-tivo pode ser através de tratamento subsequente com um organossila-no hidrofílico adequado. Dessa forma, o plasma de oxigênio pode ser usado para ativar e transmitir grupos funcionais por toda a área da su- perfície do separador microporoso. O organossilano pode, então, se ligar covalentemente e/ou aderir não covalentemente à superfície tratada com plasma. Em exemplos que usam um organossilano, a poro-sidade inerente do separador microporoso pode não ser consideravelmente alterada, a cobertura da superfície de monocamada pode também ser possível e desejada. Os métodos da técnica anterior que incorporam tensoativos em conjunto com revestimentos poliméricos podem exigir controles restritos sobre a quantidade real de revestimento aplicado à membrana, e podem, então, ser submetidos à variabilidade do processo. Em casos extremos, os poros do separador podem ser tornar bloqueados, assim, afetando adversamente a utilidade do separador durante a operação da célula eletroquímica. Um organossilano exemplificador útil na presente invenção pode ser (3-aminopropilajtrietóxi silano. Outros organossilanos hidrofílicos podem ser conhecidos pelos versados na técnica e podem ser usados sem limitação.
[00105] Ainda um outro método para fabricar as membranas sepa-radoras úmidas pelo eletrólito aquoso pode ser a incorporação de um tensoativo adequado na formulação de eletrólito. Uma consideração na escolha de tensoativo para fabricar membranas separadoras mo-Iháveis pode ser o efeito que o tensoativo pode ter na atividade de um ou mais eletrodos dentro da célula eletroquímica, por exemplo, aumen-tando-se a impedância elétrica da célula. Em alguns casos, os tensoativos podem ter propriedades anticorrosão vantajosas, especificamente no caso de ânodos de zinco em eletrólitos aquosos. O zinco pode ser um exemplo conhecido para passar por uma reação lenta com água para liberar o gás hidrogênio, o que pode ser indesejável. Vários tensoativos podem ser conhecidos pelos versados na técnica para limitar as taxas da dita reação aos níveis vantajosos. Em outros casos, o tensoativo pode interagir tão fortemente com a superfície de eletrodo de zinco que o desempenho da bateria pode ser impedido. Consequentemente, muito cuidado pode precisar ser tomado na seleção de tipos apropriados de tensoativo e níveis de carga para garantir que a capacidade de umidificação do separador possa ser obtida sem afetar prejudicialmente o desempenho eletroquímico da célula. Em alguns casos, uma pluralidade de tensoativos pode ser usada, um estando presente para transmitir a capacidade de umidificação à membrana sepa-radora e o outro estando presente para facilitar as propriedades anti-corrosão ao ânodo de zinco. Em um exemplo, nenhum tratamento hi-drofílico é feito na membrana separadora, e um tensoativo, ou pluralidade de tensoativos, é adicionado à formulação de eletrólito em uma quantidade suficiente para afetar a capacidade de umidificação da membrana separadora.
[00106] Separadores discretos podem ser integrados na microbate-ria laminar pela colocação direta em um meio para armazenamento que inclui uma cavidade, bolsa ou estrutura desenhada dentro da montagem. Desejavelmente, esse meio de armazenamento pode ser formado por uma estrutura que tem um corte, que pode ser uma compensação geométrica da forma do separador, resultando em uma cavidade, bolsa ou estrutura dentro da montagem. Além disso, o meio de armazenamento pode ter uma borda ou degrau no qual o separador fica durante a montagem. A borda, ou degrau, pode opcionalmente incluir um adesivo sensível à pressão que retém o separador discreto. Vantajosamente, o adesivo sensível à pressão pode ser o mesmo usado na construção e empilhamento de outros elementos de uma mi-crobateria laminar exemplificadora.
ADESIVO SENSÍVEL À PRESSÃO
[00107] Em alguns exemplos, a pluralidade de componentes compreendendo as microbaterias laminares da presente invenção pode ser mantida em conjunto com um adesivo sensível à pressão (PSA) que também serve como um vedante. Enquanto uma miríade de formulações de adesivo sensível à pressão comercialmente disponíveis pode existir, essas formulações sempre incluem componentes que podem tornar os mesmos inadequados para uso dentro de uma microbateria laminar biocompatível. Os exemplos de componentes indesejados nos adesivos sensíveis à pressão podem incluir componentes de formação de depósitos de baixa massa molecular, antioxidantes, por exemplo, BHT e/ou MEHQ, óleos plastificantes, impurezas, porções oxidativa-mente instáveis que contenham, por exemplo, ligações químicas insa-turadas, solventes residuais e/ou monômeros, fragmentos de inicíador de polimerização, acentuadores de pegajosidade polares e similares.
[00108] Os PSAs adequados pode, por outro lado, exibir as seguintes propriedades. Os mesmos podem ser capazes de ser aplicados para laminar os componentes para atingir finas camadas na ordem de 2 a 20 mícrons. Além disso, os mesmos podem compreender um mínimo de, por exemplo, zero componentes indesejáveis e não biocom-patíveis. Adicionalmente, os mesmos podem ter propriedades adesivas e coesivas suficientes, de modo a ligar os componentes da batería laminar juntos. E, eles podem ser capazes de fluir para as características inerentes à escala mícron em dispositivos da presente construção, proporcionando simultaneamente uma vedação robusta de eletrólito no interior da batería. Em alguns exemplos de PSAs adequados, os PSAs podem ter uma baixa permeabilidade a vapor de água a fim de manter uma composição desejável de eletrólito aquoso dentro da batería mesmo quando a batería puder ser submetida a extremos de umidade por períodos de tempo prolongados. Os PSAs podem ter boa resistência química a componentes de eletrólitos, como ácidos, tensoativos e sais. Os mesmos podem ser inertes aos efeitos de imersão de água. Os PSAs adequados podem ter uma baixa permeabilidade a oxigênio para reduzir a taxa de oxidação direta, que pode ser uma forma de au- todescarga, de ânodos de zinco. E, os mesmos podem facilitar uma finita permeabilidade a gás hidrogênio, que pode ser lentamente evoluída a partir dos ânodos de zinco em eletrólitos aquosos. Essa propriedade de finita permeabilidade a gás hidrogênio pode evitar um acúmulo de pressão interna.
[00109] Em consideração a essa exigências, poliisobutileno (PIB) pode ser um material comercialmente disponível que pode ser formulado em composições de PSA atendendo a muitas, se não todas, exigências desejáveis. Além disso, PIB pode ser um selante de barreira excelente com absorvância de água muito baixa e baixa permeabilidade ao oxigênio. Um exemplo de PIB útil nos exemplos da presente invenção pode ser Oppanol® B15 pela BASF Corporation. Oppanol® B15 pode ser dissolvido em solventes de hidrocarboneto, como tolue-no, heptano, dodecano, essências minerais e similares. Uma composição de PSA exemplar pode incluir 30 por cento de Oppanol® B15 (p/p) em uma mistura de solvente que inclui 70 por cento (p/p) de tolueno e 30 por cento de dodecano. As propriedades adesivas e reológicas de PIB com base em PSAs podem ser determinadas em alguns exemplos pela mistura de diferentes graus de massa molecular de PIB. Uma abordagem comum pode ser utilizar a maior parte de PIB com baixa massa molecular, por exemplo, Oppanol® B10 para realizar a umidifi-cação, tack e adesão e para usar uma minoria de PIB de alta massa molecular para realizar dureza e resistência para fluir. Consequentemente, as misturas de qualquer número de graus de massa molecular de PIB podem ser previstas e podem ser praticadas dentro do escopo da presente invenção. Além disso, acentuadores de pegajosidade podem ser adicionados à formulação de PSA desde que as exigências previamente mencionadas possam ser atendidas. Por sua própria natureza, os acentuadores de pegajosidade conferem propriedades polares às formulações de PSA, assim, os mesmos podem precisar ser usados com cuidado para não afetar adversamente as propriedades de barreira de PSA. Além disso, os acentuadores de pegajosidade podem, em alguns casos, ser oxidativamente instáveis, e podem incluir um antioxidante, que poderia vazar do PSA. Por essas razões, dos acentuadores de pegajosidade exemplificadores para uso em PSAs para microbaterias laminares biocompatíveis podem incluir acentuadores de pegajosidade e resina de hidrocarboneto completamente ou predominantemente hidrogenada, como a série de Regalrez de acentuadores de pegajosidade da Eastman Chemical Corporation. CONSIDERAÇÕES DE EMBALAGEM E SUBSTRATO ADICIONAL NOS MÓDULOS DE BATERÍA BIOCOMPATÍVEL
[00110] Pode haver várias considerações de embalagem e substrato que podem ditar as características para projetos de embalagem usados em microbaterias laminares biocompatíveis. Por exemplo, a embalagem pode desejavelmente ser predominantemente folha e/ou filme com base onde essas camadas de embalagem podem ser o mais finas possível, por exemplo, de 10 a 50 mícrons. Além disso, a embalagem pode fornecer uma barreira de difusão suficiente para ganho ou perda de umidade durante a vida útil. Em muitos exemplos desejáveis, a embalagem pode fornecer uma barreira de difusão suficiente à entrada de oxigênio para limitar a degradação de ânodos de zinco pela oxidação direta.
[00111] Em alguns exemplos, a embalagem pode fornecer uma finita trajetória de permeação ao gás hidrogênio, que pode evoluir devido à redução direta de água por zinco. E, a embalagem pode desejavelmente conter suficientemente e pode isolar os conteúdos da bateria de modo que a exposição potencial a um usuário possa ser reduzida.
[00112] Na presente invenção, os constructos de embalagem podem incluir os seguintes tipos de componentes funcionais: camadas de embalagem superior e inferior, camadas de PSA, camadas espaçado- ras, zonas de interconexão, portas de enchimento e embalagem secundária.
[00113] Em alguns exemplos, as camadas de embalagem superior e inferior podem compreender folhas metálicas ou filmes poliméricos. As camadas de embalagem superior e inferior podem compreender constructos de filme multicamada que contêm uma pluralidade de camadas de polímero e/ou barreira. Estes construtos de filme podem ser referidos como filmes laminados de barreira coextrudada. Um exemplo de um filme laminado de barreira coextrudada comercial de utilidade particular na presente invenção pode ser suporte da 3M® Scotchpak 1109, que consiste em uma manta de veículo de polietileno tereftalato (PET), uma camada de barreira de alumínio depositada por vapor e uma camada de polietileno incluindo uma espessura média total do filme de 33 mícrons. Vários outros filmes de barreira multicamada similares podem estar disponíveis e podem ser usados em exemplos alternativos da presente invenção.
[00114] Em construções de projeto que incluem um PSA, a rugosi-dade de superfície de camada de embalagem pode ser de particular importância, pois o PSA também pode precisar vedar faces opostas da camada de embalagem. A rugosidade de superfície pode resultar dos processos de fabricação usados em produção de folha metálica e filme, por exemplo, processos que empregam rolamento, extrusão, go-fragem e/ou calandragem, entre outros. Se a superfície for áspera demais, pode ser que o PSA não possa ser aplicado em uma espessura uniforme quando a espessura desejada do PSA puder estar na ordem do Ra de aspereza de superfície (a média aritmética do perfil de aspereza). Além disso, PSAs podem não vedar completamente contra uma superfície oposta se a superfície oposta tiver rugosidade que possa estar na ordem da espessura da camada de PSA. Na presente invenção, os materiais de embalagem que têm uma rugosidade de superfí- cie, Ra, menor que 10 mícrons podem ser exemplos aceitáveis. Em alguns exemplos, os valores de rugosidade de superfície podem ser 5 mícrons ou menos. E, ainda em outros exemplos, a rugosidade de superfície pode ser 1 mícron ou menos. Os valores de rugosidade de superfície podem ser medidos por uma variedade de métodos, incluindo, mas não se limitando a, técnicas de medição, como interferometria de luz branca, perfilometria por agulha e similares. Pode haver muito exemplos na técnica de metrologia da superfície em que a rugosidade de superfície pode ser descrita por inúmeros parâmetros alternativos e em que os valores de rugosidade de superfície média, Ra, aqui discutidos podem ser para representação dos tipos de recursos inerentes aos processos de fabricação previamente mencionados. PROCESSAMENTO ILUSTRADO EXEMPLIFICADOR DA ENERGI-ZACÃO BIOCOMPATÍVEL -SEPARADOR COLOCADA
[00115] Um exemplo das etapas que podem estar envolvidas no processamento de elementos de energização biocompatíveis pode ser observado com referência às Figuras 4A a 4N. O processamento, em algumas das etapas exemplificadoras, pode ser observado nas Figuras individuais. Na Figura 4A, uma combinação de um Espaçador de Cátodo de PET 401 e um Espaçador de Lacuna de PET 404 pode ser ilustrada. O Espaçador de Cátodo de PET 401 pode ser formado aplicando-se filmes de PET 403 que, por exemplo, podem ser de aproximadamente 3 mils de espessura. Em qualquer lado da camada de PET podem ser observadas camadas de PSA, ou as mesmas podem ser tampadas com uma camada de liberação de PVDF 402 que pode ser de aproximadamente 1 mil de espessura. O Espaçador de Lacuna de PET 404 pode ser formado de uma camada de PVDF 409 que pode ter aproximadamente 3 mils de espessura. Pode haver uma camada de PET de cobertura 405 que pode ter aproximadamente 0,5 mils de espessura. Entre a camada de PVDF 409 e a camada de PET de co- bertura 405, em alguns exemplos, pode estar uma camada de PSA.
[00116] Prosseguindo para a Figura 4B, um orifício 406 na camada do Espaçador de Lacuna de PET 404 pode ser cortado por tratamento de corte a laser. A seguir, na Figura 4C, a camada cortada do Espaçador de Lacuna de PET 404 pode ser laminada 408 no Espaçador de Cátodo à camada de PET 401. Prosseguindo para a Figura 4D, um orifício do espaçador de cátodo 410 pode ser cortado por tratamento de corte a laser. O alinhamento dessa etapa de corte pode ser registrado nos recursos previamente cortados na camada do Espaçador de Lacuna de PET 404. Na Figura 4E, uma camada de Celgard 412, para uma última camada separadora, pode ser ligada a um veículo 411. Prosseguindo para a Figura 4F, o material de Celgard pode ser cortado para figuras que estão entre o tamanho dos dois orifícios de corte a laser prévios e, aproximadamente, o tamanho do orifício 406 no Espaçador de Lacuna de PET 404, formando um separador pré-cortado 420. Prosseguindo para a Figura 4G, uma ferramenta de braços manipuladores do tipo "pick-and-place" 421 pode ser usada para pegar e colocar as peças discretas de Celgard em suas localizações desejadas nos dispositivos de produção. Na Figura 4H, as peças de Celgard colocadas 422 são presas em um local e, então, a camada de liberação de PVDF 423 pode ser removida. Prosseguindo para a Figura 4I, a estrutura dos dispositivos de produção pode ser ligada a um filme do ânodo 425. O ânodo 425 pode compreender um filme coletor de ânodo no qual um filme de ânodo de zinco foi eletrodepositado.
[00117] Prosseguindo para a Figura 4J, a pasta fluida para cátodo 430 pode ser colocada em uma lacuna formada. Uma espátula 431 pode ser usada em alguns exemplos para espalhar a mistura de cátodo por uma peça de trabalho e, no processo, encher as lacunas dos dispositivos de bateria a serem formadas. Após encher, a camada de liberação de PVDF 432 remanescente pode ser removida, o que pode resultar na estrutura ilustrada na Figura 4K. Na Figura 4L, toda a estrutura pode ser submetida a um processo de secagem que pode encolher a pasta fluida para cátodo 440 para também estar na altura do topo da camada de PET. Prosseguindo para a Figura 4M, uma camada de filme de cátodo 450, que já pode ter o filme coletor de cátodo sob a mesma, pode ser ligada à estrutura de crescimento. Na Figura 4N, um processo de corte a laser pode ser realizado para remover as regiões laterais 460 e produzir um elemento de bateria 470. Pode haver várias alterações, exclusões, mudanças nos materiais e espessura alvo que podem ser úteis dentro do objetivo da presente invenção.
[00118] O resultado do processamento exemplificador pode ser descrito em alguns detalhes na Figura 5. Em um exemplo, os seguintes recursos de referência podem ser definidos. A química de cátodo 510 pode estar localizada em contato com o cátodo e coletor do cátodo 520. Uma camada de adesivo sensível à pressão 530 pode manter e vedar o coletor de cátodo 520 em uma camada do espaçador de PET 540. No outro lado da camada espaçadora de PET 540 pode ter outra camada de PSA 550, que veda e adere a camada espaçadora de PET 540 à camada de vão de PET 560. Uma outra camada de PSA 565 pode vedar e aderir a camada de lacuna de PET 560 ao ânodo e às camadas Coletoras de Corrente Anódica. Uma camada depositada de zinco 570 pode ser depositada sobre o Coletor de Corrente Anódica 580. A camada separadora 590 pode estar localizada dentro da estrutura para realizar as funções associadas, conforme foi definido na presente invenção. Em alguns exemplos, um eletrólito pode ser adicionado durante o processamento do dispositivo, em outros exemplos, o separador pode já incluir eletrólito.
ILUSTRAÇÃO DO PROCESSAMENTO EXEMPLIFICADOR DA ENERGIZACÃO BIOCOMPATÍVEL -SEPARADOR DEPOSITADO
[00119] Um exemplo das etapas que podem estar envolvidas no processamento de elementos de energização biocompatíveis pode ser observado nas Figuras 6A a 6F. O processamento, em algumas das etapas exemplificadoras, pode ser observado nas Figuras individuais. Pode haver várias alterações, exclusões, mudanças nos materiais e espessura alvo que podem ser úteis dentro do objetivo da presente invenção.
[00120] Na figura 6A, um construto laminar exemplificador 600 é ilustrado. A estrutura laminar pode compreender duas camadas de liberação de constructo laminar, 602 e 602a; duas camadas adesivas de constructo laminar 604 e 604a, localizadas entre as camadas de liberação de constructo laminar 602 e 602a; e um núcleo de constructo laminar 606, localizado entre as duas camadas adesivas de constructo laminar 604 e 604a. As camadas de liberação de constructo laminar, 602 e 602a e as camadas adesivas, 604 e 604a, podem ser produzidas ou compradas, como uma fita de transferência de adesivo sensível à pressão comercialmente disponível com camada de revestimento primário. As camadas adesivas do constructo laminar podem ser uma camada de PVDF, que pode ter aproximadamente 1 a 3 milímetros de espessura e tampar o núcleo de constructo laminar 606. O núcleo de constructo laminar 606 pode compreender uma resina polimérica ter-moplástica, como polietileno tereftalato, que, por exemplo, pode ter aproximadamente 3 milímetros de espessura. Prosseguindo para a Figura 6B, um meio para armazenar a mistura de cátodo, como uma cavidade para a bolsa de cátodo 608, pode ser, cortar no constructo laminar por tratamento de corte a laser.
[00121] A seguir, na Figura 6C, a camada de liberação inferior do constructo laminar 602a pode ser removida do constructo laminar, expondo a camada adesiva de constructo laminar 604a. A camada adesiva de constructo laminar 604a pode, então, ser usada para aderir uma folha metálica de conexão anódica 610 para tampar a abertura inferior da bolsa de cátodo 608. Prosseguindo para a Figura 6D, a folha metálica de conexão anódica 610 pode ser protegida na camada inferior exposta aderindo-se uma camada de mascaramento 612. A camada de mascaramento 612 pode ser uma fita de transferência de PSA comercialmente disponível com um revestimento primário. A seguir, na Figura 6E, a folha metálica de conexão anódica 610 pode ser galvanizada com um metal coerente 614, o zinco, por exemplo, que reveste a seção exposta da folha metálica de conexão anódica 610 dentro da bolsa de cátodo. Prosseguindo para 6F, a camada de mascaramento de coleta elétrica do ânodo 612 é removida do fundo da folha metálica de conexão anódica 610 após a galvanoplastia.
[00122] As Figuras 7A a 7F ilustram um modo exemplificador alternativo de processamento das etapas do método ilustrado nas Figuras 6A a 6F. As Figuras 7A a 7B podem ilustrar processos semelhantes, como mostrado nas Figuras 6A a 6B. A estrutura laminar pode compreender duas camadas de liberação de constructo laminar, 702 e 702a, uma camada em qualquer extremidade; duas camadas adesivas do constructo laminar, 704 e 704a, localizadas entre as camadas de liberação de constructo laminar 702 e 702a; e um núcleo de constructo laminar 706, localizado entre as duas camadas adesivas do constructo laminar 704 e 704a. As camadas de liberação de constructo laminar e as camadas adesivas podem ser produzidas ou compradas, como uma fita de transferência de adesivo sensível à pressão com camada de revestimento primário comercialmente disponível. As camadas adesivas do constructo laminar podem ser uma camada de fluoreto de polivinilideno PVDF que pode ter aproximadamente 1 a 3 milímetros de espessura e tampar o núcleo de constructo laminar 706. O núcleo de constructo laminar 706 pode compreender uma resina polimérica termoplástica, como polietileno tereftalato, que, por exemplo, pode ter aproximadamente 3 milímetros de espessura. Prosseguindo para a Fi- gura 7B, um meio para armazenar, como uma cavidade para a bolsa de cátodo 708, pode ser cortado no constructo laminar por tratamento de corte a laser. Na Figura 7C, uma folha metálica de conexão anódica 710 pode ser obtida e uma camada de mascaramento protetora 712 aplicada em um lado. A seguir, na Figura 7D, a folha metálica de conexão anódica 710 pode ser galvanizada com uma camada 714 de um metal coerente, por exemplo, zinco. Prosseguindo para a Figura 7E, os constructos laminares das Figuras 7B e 7D podem ser combinados para formar um novo constructo laminar, conforme descrito na Figura 7E, pela adesão do constructo da Figura 7B na camada galvanizada 714 da Figura 7D. A camada de liberação 702a da Figura 7B pode ser removida a fim de expor a camada adesiva 704a da Figura 7B para aderência sobre camada galvanizada 714 da Figura 7D. Prosseguindo para a Figura 7F, a camada de mascaramento protetora de ânodo 712 pode ser removida do fundo da folha metálica de conexão anódica 710.
[00123] As Figuras 8A a 8H ilustram modalidades exemplificadoras para implementação de elementos de energização em uma estrutura laminar biocompatível, que às vezes é referida como uma montagem laminar ou uma montagem laminada aqui, semelhante, por exemplo, às ilustradas nas Figuras 6A a 6F e 7A a 7F. Procedendo à Figura 8A, uma mistura precursora separadora de hidrogel 820 pode ser depositada sobre a superfície do conjunto laminado. Em alguns exemplos, conforme descrito, a mistura precursora de hidrogel 820 pode ser aplicada sobre uma camada de liberação 802. A seguir, na Figura 8B, a mistura precursora separadora de hidrogel 820 pode ser espalhada 850 na bolsa de cátodo enquanto é retirada da camada de liberação 802. O termo "espalhada" pode, em geral, se referir ao uso da ferramenta de planarização ou raspagem para esfregar em toda a superfície e mover o material fluido sobre a superfície e para cavidades, con- forme existam. O processo de espalhamento pode ser realizado por equipamento similar ao dispositivo tipo "rodo" ou, alternativamente, dispositivo de planarização, como bordas de facas, bordas de aparelho de barbear ou depilar e similares, que podem ser feitos de vários materiais, conforme possa ser quimicamente consistente com o material a ser removido.
[00124] O processamento descrito na Figura 8B pode ser realizado várias vezes para garantir o revestimento da bolsa de cátodo e aumentar a espessura dos recursos resultantes. A seguir, na Figura 8C, pode-se permitir que a mistura precursora separadora de hidrogel seque a fim de evaporar materiais, que podem tipicamente ser solventes ou diluentes de vários tipos, da mistura precursora separadora de hidrogel e, então, os materiais aplicados e dispensados podem ser curados. Pode ser possível repetir ambos os processos descritos na Figura 8B e na Figura 8C em combinação em alguns exemplos. Em alguns exemplos, a mistura precursora separadora de hidrogel pode ser curada pela exposição ao calor, enquanto que, em outros exemplos, a cura pode ser realizada pela exposição à energia de fóton. Ainda em outros exemplos, a cura pode envolver tanto a exposição à energia de fóton quanto ao calor. Pode haver várias formas de curar a mistura precursora separadora de hidrogel.
[00125] O resultado da cura pode ser a formação do material precursor separador de hidrogel na parede da cavidade, bem como na região de superfície nas proximidades de um recurso de ânodo ou cátodo que, no presente exemplo, pode ser um recurso de ânodo. A aderência do material às paredes laterais da cavidade pode ser útil na função de separação de um separador. O resultado da cura pode ser a formação de um concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822 que pode ser simplesmente considerado o separador da célula. Prosseguindo para a Figura 8D, a pasta fluida para cátodo 830 pode ser depositada na superfície da camada de liberação de cons-tructo laminar 802. A seguir, na Figura 8E a pasta fluida para cátodo 830 pode ser espalhada na bolsa de cátodo e sobre concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822. A pasta fluida para cátodo pode ser movida para sua localização desejada na cavidade enquanto é simultaneamente removida, em um grande grau, da camada de liberação de constructo laminar 802. O processo da Figura 8E pode ser realizado várias vezes para garantir o revestimento da pasta fluida para cátodo 830 no topo do concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822. A seguir, na Figura 8F, pode-se permitir que a pasta fluida para cátodo seque para formar um preenchimento de cátodo isolado 832 no topo do concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822, preenchendo o restante da bolsa de cátodo.
[00126] Prosseguindo para a Figura 8G, uma formulação de eletróli-to 840 pode ser adicionada ao preenchimento de cátodo isolado 832 e possibilitada de hidratar o preenchimento de cátodo isolado 832 e o concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822. A seguir, na Figura 8H, uma folha metálica de conexão de cátodo 816 pode ser aderida à camada adesiva de constructo laminar 804 restante pela remoção da camada de liberação de constructo laminar 802 restante e pressionando-se a folha metálica de conexão 816 no lugar. A colocação resultante pode resultar na cobertura de preenchimento de cátodo hidratado 842, bem como no estabelecimento de contato elétrico com o preenchimento de cátodo 842, como um coletor de corrente catódica e meios de conexão.
[00127] As Figuras 9A a 9C ilustram modalidades exemplificadoras da montagem laminada resultante da Figura 7D. Na Figura 9A, a folha metálica de conexão anódica 710 pode ser obtida e uma camada de mascaramento protetora 712 aplicada em um lado. A folha metálica de conexão anódica 710 pode ser depositada com uma camada 714 de metal coerente como, por exemplo, zinco. De forma similar, conforme descrito nas Figuras anteriores. Prosseguindo para a Figura 9B, um separador de hidrogel 910 pode ser aplicado sem limitação ao uso do método de rodo ilustrado na Figura 8E. A mistura precursora separa-dora de hidrogel pode ser aplicada de várias formas, por exemplo, um filme pré-formado da mistura pode ser aderido pela aderência física; alternativamente, uma mistura diluída da mistura precursora separado-ra de hidrogel pode ser dispensada e, então, ajustada a uma espessura desejada pelo processamento de revestimento por giro. Alternativamente, o material pode ser aplicado por revestimento por pulverização, ou qualquer outro processamento equivalente. A seguir, na Figura 9C, o processamento é descrito para criar um segmento do separador de hidrogel que pode funcionar como uma contenção ao redor de uma região do separador. O processamento pode criar uma região que limita o fluxo, ou difusão, de materiais, como eletrólito, fora da estrutura interna dos elementos de batería formados. Tal recurso de bloqueio 920 de vários tipos pode, assim, ser formado. O recurso de bloqueio, em alguns exemplos, pode corresponder a uma região altamente reti-culada da camada separadora, como pode ser formado, em alguns exemplos, pela elevada exposição à energia de fóton na região desejada do recurso de bloqueio 920. Em outros exemplos, materiais podem ser adicionados ao material separador de hidrogel antes de ser curado para criar porções regionalmente diferenciadas que, mediante cura, se tornam o recurso de bloqueio 920. Ainda em outros exemplos, as regiões do material separador de hidrogel podem ser removidas tanto antes quanto depois da cura por várias técnicas, incluindo, por exemplo, ataque químico da camada com mascaramento para definir a extensão regional. A região do material removido pode criar um recurso de bloqueio de direito próprio ou, alternativamente, materialmente pode ser adicionado novamente ao espaço vazio para criar um recurso de bloqueio. O processamento do segmento impermeável pode ocorrer através de vários métodos, incluindo processamento por imagem, reticulação elevada, fotodosagem pesada, enchimento, ou omissão de aderência de hidrogel para criar um espaço vazio. Em alguns exemplos, um constructo de laminado ou conjunto do tipo descrito como o resultado do processamento na Figura 9C pode ser formado sem limitação ao recurso de bloqueio 920.
SEPARADORES DO ELEMENTO DE BATERÍA POLIMERIZADOS
[00128] Em alguns projetos de batería, o uso de um separador discreto (conforme descrito em uma seção anterior) pode ser impedido devido a uma variedade de razões, como o custo, a disponibilidade de materiais, a qualidade de materiais ou a complexidade do processamento para algumas opções de material, como exemplos não limitadores. Nesses casos, um separador fundido ou em fundição que é ilustrado nos processos das Figuras 8A a 8H, por exemplo, pode fornecer benefícios desejáveis. Embora os separadores de amido ou em pasta tenham sido usados comercialmente com sucesso em AA e outras baterias no formato Leclanché ou zinco-carbono, esses separadores podem ser inadequados de algumas maneiras para o uso em certos exemplos de microbaterias laminares. Atenção especial pode precisar ser dada à uniformidade e consistência para qualquer separador usado nas baterias da presente invenção. O controle preciso sobre o volume do separador pode ser necessário para facilitar a incorporação precisa subsequente de volumes de cátodo conhecidos e realização subsequente das capacidades de descarga e desempenho celular consistentes.
[00129] Um método para atingir um separador uniforme mecanicamente robusto de fundição pode ser usar formulações de hidrogel curáveis por UV. Várias formulações de hidrogel permeáveis em água podem ser conhecidas em várias indústrias, por exemplo, a indústria da lente de contato. Um exemplo de um hidrogel comum na indústria de lente de contato pode ser gel reticulado de poli(metacrilato de hi-dróxi-etila), ou simplesmente pHEMA. Para várias aplicações da presente invenção, o pHEMA pode ter muitas propriedades atraentes para uso em baterias Leclanché e de zinco-carbono. O pHEMA, tipicamente, pode manter um teor de água de aproximadamente 30 a 40 por cento no estado hidratado, enquanto mantém um módulo elástico de cerca de 0,7 MPa (100 psi) ou maior. Além disso, as propriedades de módulo e o teor de água dos hidrogéis reticulados podem ser ajustados por um versado na técnica, incorporando-se componentes mono-méricos hidrofílicos adicionais (por exemplo, ácido metacrílico) ou componentes poliméricos (por exemplo, polivinilpirrolidona). Dessa forma, o teor de água, ou mais especificamente, a permeabilidade iô-nica do hidrogel, pode ser ajustado pela formulação.
[00130] De vantagem particular em alguns exemplos, uma formulação de hidrogel polimerizável e moldada pode conter um ou mais dilu-entes para facilitar o processamento. O diluente pode ser escolhido para ser volátil, de modo que a mistura moldada possa ser espalhada em uma cavidade e, então, possibilitada de secar por um período suficiente para remover o componente de solvente volátil. Após a secagem, uma fotopolimerização a granel pode ser iniciada pela exposição à radiação actínica de comprimento de onda adequado, como luz UV azul a 420 nm, para o fotoiniciador escolhido, como CGI 819. O diluente volátil pode ajudar a fornecer uma viscosidade de aplicação desejada para facilitar a fundição de uma camada uniforme do material polimerizável na cavidade. O diluente volátil pode também fornecer efeitos de redução de tensão superficial benéficos, no caso onde monômeros fortemente polares são incorporados na formulação. Em outro aspecto que pode ser importante para atingir a fundição de uma camada uniforme de material polimerizável na cavidade pode ser a viscosidade da aplicação. Os monômeros reativos comuns com pequena massa molar tipicamente não têm viscosidades muito altas, as quais podem ser tipicamente apenas alguma centipoise. Em um esforço para fornecer o controle benéfico da viscosidade do material separador moldável e po-limerizável, um componente polimérico de alta massa molar que sabe-se ser compatível com o material polimerizável pode ser selecionado para incorporação na formulação. Os exemplos de polímeros de alta massa molar que podem ser adequados para incorporação em formulações exemplificadoras podem incluir polivinilpirrolidona e poli(óxido de etileno).
[00131] Em alguns exemplos, o separador polimerizável moldável pode ser vantajosamente aplicado em uma cavidade desenhada, conforme anteriormente descrito. Em exemplos alternativos, pode não haver cavidade alguma no momento da polimerização. Em vez disso, a formulação separadora moldável, polimerizável pode ser recoberta sobre um substrato contendo elétrodo, por exemplo, latão depositado com zinco moldado, e, em seguida, exposto à radiação actínica com o uso de uma fotomáscara para polimerizar seletivamente o material separador em áreas específicas. O material separador pode, então, ser removido pela exposição a solventes de enxágue apropriados. Nesses exemplos, o material separador pode ser designado como um separador fotomoldável.
FORMULAÇÕES DO SEPARADOR DE MÚLTIPLOS COMPONENTES
[00132] O separador útil, de acordo com os exemplos da presente invenção, pode ter inúmeras propriedades que podem ser importantes para sua função. Em alguns exemplos, o separador pode ser deseja-velmente formado de tal maneira que crie uma barreira física, de modo que as camadas em qualquer lado do separador não entrem em contato fisicamente. A camada pode, assim, ter uma característica importan- te de espessura uniforme, pois, enquanto uma fina camada pode ser desejável por várias razões, um espaço vazio ou lacuna pode ser essencial. Adicionalmente, a fina camada pode ter desejavelmente uma alta permeabilidade para permitir o fluxo livre de íons. Ainda, o separador exige entrada de água ideal para otimizar as propriedades mecânicas do separador. Assim, a formulação pode conter um componente de reticulação, um componente de polímero hidrofílico e um componente de solvente.
[00133] Um reticulador pode ser um monômero com duas ou mais ligações duplas polimerizáveis. Os reticuladores adequados podem ser compostos com dois ou mais grupos funcionais polimerizáveis. Os exemplos de reticuladores hidrofílicos adequados podem ainda incluir compostos com dois ou mais grupos funcionais polimerizáveis, bem como grupos funcionais hidrofílicos, como grupos poliéter, amida ou hidroxila. Os exemplos específicos podem incluir TEGDMA (tetraetile-noglicol dimetacrilato), TrEGDMA (trietilenoglicol dimetacrilado), etileno glicol dimetacrilato (EGDMA), etilenodiamina dimetaacrilamida, glicerol dimetacrilato e combinações dos mesmos.
[00134] As quantidades de reticulador que podem ser usadas em alguns exemplos pode variar, por exemplo, desde cerca de 0,000415 até cerca de 0,0156 mol por 100 gramas de componentes reativos na mistura de reação. A quantidade de reticulador hidrofílico usada pode geralmente ser cerca de 0 a cerca de 2 por cento em peso e, por exemplo, cerca de 0,5 a cerca de 2 por centro em peso. Componentes de polímero hidrofílico capazes de aumentar a viscosidade da mistura reativa e/ou aumentar o grau de ligação de hidrogênio com o monômero hidrofílico de reação lenta, como polímeros hidrofílicos de alto peso molecular, podem ser desejáveis.
[00135] Os polímeros hidrofílicos de alto peso molecular fornecem molhabilidade otimizada e, em alguns exemplos, pode melhorar a mo- Ihabilidade para o separador da presente invenção. Em alguns exemplos não limitadores, acredita-se que os polímeros hidrofílicos de alto peso molecular sejam receptores de ligação por hidrogênio que, em ambientes aquosos, se ligam pelo hidrogênio à água, tornando-se assim efetivamente mais hidrofílicos. A ausência de água pode facilitar a incorporação do polímero hidrofílico na mistura de reação. Além dos polímeros hidrofílicos de alto peso molecular especificamente mencionados, pode-se esperar que qualquer polímero de alto peso molecular seja útil à presente invenção, desde que, quando o dito polímero for adicionado a uma formulação de hidrogel de silicone exemplificadora, o polímero hidrofílico (a) não sofra uma substancial separação de fase da mistura de reação, e (b) confira molhabilidade ao polímero curado resultante.
[00136] Em alguns exemplos, o polímero hidrofílico de alto peso molecular pode ser solúvel no diluente em temperaturas de processamento. Os processos de fabricação que usam água ou diluentes solúveis em água, como álcool isopropílico (IPA), podem ser exemplos desejáveis devido a sua simplicidade e seu custo reduzido. Nesses exemplos, os polímeros hidrofílicos de alto peso molecular que são solúveis em água sob temperaturas de processamento podem também ser desejáveis.
[00137] Os exemplos de polímeros hidrofílicos de alto peso molecular podem incluir, mas não se limitam a poliamidas, polilactonas, polii-midas, polilactamas e poliamidas funcionalizadas, polilactonas, polii-midas, polilactamas, como PVP e copolímeros dos mesmos, ou, alternativamente, DMA funcionalizado por copolimerização com uma quantidade molar menor de um monômero hidroxila-funcional, como HEMA, seguida de reação dos grupos hidroxila do copolímero resultante com materiais contendo grupos polimerizáveis radicais, como isocianato etil metacrilato ou cloreto de metacriloíla. Polímeros hidrofílicos de alto peso molecular podem incluir, mas não se limitam a poli-N-vinil pirroli-dona, poli-N-vinil-2-piperidona, poli-N-vinil-2-caprolactama, poli-N-vinil-3-metil-2-caprolactama, poli-N-vinil-3-metil-2-piperidona, poli-N-vinil-4-metil-2-piperidona, poli-N-vinil-4-metil-2-caprolactama, poli-N-vinil-3-etil-2-pirrolidona e poli-N-vinil-4,5-dimetil-2-pirrolidona, polivinilimidazol, poli-N—N-dimetilacrilamida, álcool polivinílico, ácido poliacrílico, óxido de polietileno, poli 2 etil oxazolina, polissacarídeos de heparina, polis-sacarídeos, misturas e copolímeros (incluindo bloco ou aleatório, ramificado, multicadeias, em forma de pente ou em forma de estrela) dos mesmos onde poli-N-vinilpirrolidona (PVP) pode ser um exemplo desejável onde PVP foi adicionado a uma composição de hidrogel para formar uma rede de interpenetração que mostra um baixo grau de atrito de superfície e uma baixa taxa de desidratação.
[00138] Componentes ou aditivos adicionais, que podem ser geralmente conhecidos na técnica, podem também ser incluídos. Os aditivos podem incluir, mas não se limitam a, compostos absorventes de ultravioleta, fotoiniciadores, como CGI 819, tonalizantes reativos, compostos microbicidas, pigmentos, fotocrômicos, agentes de liberação, combinações dos mesmos e similares.
[00139] O método associado a esses tipos de separadores pode também incluir receber CGI 819; e, então, misturar com PVP, HEMA, EGDMA e IPA; e, então, curar a mistura resultante com uma fonte de calor ou uma exposição a fótons. Em alguns exemplos, a exposição a fótons pode ocorrer onde a energia dos fótons é consistente com um comprimento de onda que ocorre na porção ultravioleta do espectro eletromagnético. Outros métodos para iniciar a polimerização, em geral, realizada em reações de polimerização estão dentro do escopo da presente invenção.
COLETOR DE CORRENTES E ELETRODOS
[00140] Em alguns exemplos de células zinco-carbono e Leclanche, o coletor de corrente catódica pode ser uma haste de carbono sinteri-zada. Esse tipo de material pode enfrentar obstáculos técnicos para células eletroquímicas finas da presente invenção. Em alguns exemplos, as tintas de carbono impressas podem ser usadas em células eletroquímicas finas para substituir uma haste de carbono sinterizado pelo coletor de corrente catódica e, nesses exemplos, o dispositivo resultante pode ser formado sem prejudicar de modo significante a célula eletroquímica resultante. Tipicamente, as ditas tintas de carbono podem ser aplicadas diretamente nos materiais de embalagem, que podem compreender filmes poliméricos ou, em alguns casos, folhas de metal. Nos exemplos onde o filme de embalagem pode ser uma folha metálica, a tinta de carbono pode precisar proteger a folha de metal subjacente da degradação química e/ou corrosão pelo eletrólito. Além disso, nesses exemplos, o coletor de corrente da tinta de carbono pode precisar fornecer condutividade elétrica de dentro da célula eletroquímica à parte externa da célula eletroquímica, o que implica em uma vedação ao redor ou através da tinta de carbono. Devido à natureza porosa de tintas de carbono, isso pode não ser facilmente realizado sem grandes desafios. Tintas de carbono também podem ser aplicadas em camadas que têm espessura relativamente pequena e finita, por exemplo, 10 a 20 mícrons. Em um projeto de célula eletroquímica fina no qual a espessura de embalagem total pode ser apenas cerca de 100 a 150 mícrons, a espessura de uma camada de tinta de carbono pode assumir uma fração significante do volume interno total da célula eletroquímica, assim, impactando negativamente no desempenho elétrico da célula. Além disso, a natureza delgada de toda a bateria e do coletor de corrente, em particular, pode implicar em uma pequena área em seção transversal para o coletor de corrente. À medida em que a resistência de um trilho aumenta o comprimento do trilho e reduz a área em seção transversal, pode haver uma compensação direta en- tre a espessura e a resistência do coletor de corrente. A resistividade de volume de tinta de carbono pode ser insuficiente para atender à exigência de resistência de baterias finas. As tintas preenchidas com prata ou outros metais condutores podem também ser consideradas para reduzir a resistência e/ou espessura, mas as mesmas podem introduzir novos desafios, como incompatibilidade com novos eletrólitos. Em consideração a esses fatores, em alguns exemplos, pode ser desejável realizar células eletroquímicas finas eficientes e de alto desempenho da presente invenção utilizando-se uma fina folha de metal como o coletor de corrente, ou aplicar um filme metálico fino a uma camada de embalagem de polímero subjacente para agir como o coletor de corrente. Tais folhas de metal podem ter resistividade significativamente menor, assim, permitindo que as mesmas atendam às exigências de resistência elétrica com espessura muito menor que as tintas de carbono impressas.
[00141] Em alguns exemplos, uma ou mais das camadas de embalagem superiores e/ou inferiores podem servir como um substrato para um metal coletor de corrente esferulado ou pilha metálica. Por exemplo, o suporte 3M® Scotchpak 1109 pode ser metalizado com o uso de deposição de vapor físico (PVD) de uma ou mais camadas metálicas úteis como um coletor de corrente para um cátodo. As pilhas metálicas exemplificadoras úteis como coletores de corrente catódica podem ser camadas de adesão de Ti-W (titânio-tungstênio) e camadas conduto-ras de Ti (titânio). As pilhas metálicas exemplificadoras úteis como coletores de corrente de ânodo podem ser camadas de adesão de Ti-W, camadas condutoras de Au (ouro) e camadas de deposição de In (índio). A espessura das camadas de PVD pode ser menor que 500 nm no total. Se múltiplas camadas de metais são usadas, as propriedades eletroquímicas e de barreira podem precisar ser compatíveis com a batería. Por exemplo, cobre pode ser galvanizado no topo de uma ca- mada de partícula inicial para cultivar uma camada condutora espessa. As camadas adicionais podem ser folheadas sobre o cobre. Entretanto, o cobre pode ser eletroquimicamente incompatível com certos ele-trólitos, especialmente na presença de zinco. Consequentemente, se o cobre for utilizado como uma camada na batería, pode precisar ser suficientemente isolado do eletrólito de batería. De modo alternativo, o cobre pode ser excluído ou um outro metal substituído.
[00142] Em alguns outros exemplos, as folhas metálicas de embalagem superior e/ou inferior podem também funcionar como coletores de corrente. Por exemplo, uma folha metálica de latão de 25 mícrons pode ser útil como um coletor de corrente anódica para um ânodo de zinco. A folha metálica de latão pode ser opcionalmente galvanizada com índio antes de galvanizar com zinco. Em um exemplo, as folhas metálicas de embalagem do coletor de corrente catódica podem compreender folha metálica de titânio, folha metálica Hastelloy C-276, folha metálica de cromo e/ou folha metálica de tântalo. Em certos projetos, uma ou mais folhas metálicas de embalagem podem ser em branco finas, gravada, gofrada, texturizada, fabricada a laser, ou processada de outra forma para fornecer a forma desejável, rugosidade de superfície e/ou geometria do encapsulamento da célula.
ÂNODO E INIBIDORES DE CORROSÃO DE ÂNODO
[00143] O ânodo para a batería laminar da presente invenção pode, por exemplo, compreender zinco. Em baterias tradicionais de carbono-zinco, um ânodo de zinco pode adotar a forma física de uma lata, na qual o conteúdo da célula eletroquímica pode estar contido. Para a batería da presente invenção, uma lata de zinco pode ser um exemplo, mas pode haver outras formas físicas de zinco que podem fornecer o necessário para realizar projetos de batería ultrapequena.
[00144] O zinco galvanizado pode ter exemplos de uso em inúmeras indústrias, por exemplo, para o revestimento protetor ou estético de peças metálicas. Em alguns exemplos, o zinco galvanizado pode ser usado para formar ânodos finos e isolantes úteis para baterias da presente invenção. Além disso, o zinco galvanizado pode ser padronizado em configurações aparentemente intermináveis, dependendo do intuito do projeto. Um meio fácil para padronizar o zinco galvanizado pode ser processar com o uso de uma fotomáscara ou uma máscara física. Uma máscara de deposição pode ser fabricada por uma variedade de abordagens. Uma abordagem pode ser usando-se uma fotomáscara. Nesses exemplos, uma fotorresistência pode ser aplicada a um substrato condutivo, o substrato sobre o qual o zinco pode subsequentemente ser folheado. O padrão de folheamento desejado pode ser então projetado para a fotorresistência por meio de uma fotomáscara, causando, assim, a cura das áreas selecionadas da fotorresistência. A fotorresistência não curada pode, então, ser removida com técnicas de solventes e de limpeza adequadas. O resultado pode ser uma área padronizada de material condutivo que pode receber um tratamento de zinco galvanizado. Embora esse método possa fornecer benefícios para o formato ou projeto do zinco a ser folheado, a abordagem pode exigir o uso de materiais fotopadronizáveis disponíveis, que podem ter propriedades limitadas para a construção geral da embalagem da célula. Consequentemente, métodos novos e inovadores para padronizar zinco podem ser exigidos para realizar alguns projetos de microbaterias finas da presente invenção.
[00145] Um meio alternativo para padronizar ânodos de zinco pode ser por meio de uma aplicação de máscara física. Uma máscara física pode ser feita cortando-se aberturas desejáveis em um filme que tenha propriedades desejáveis de barreira e/ou embalagem. Adicionalmente, o filme pode ter adesivo sensível à pressão aplicado a um ou ambos os lados. Finalmente, o filme pode ter forros de liberação protetores aplicados a um ou ambos os adesivos. O forro de liberação pode servir as duas finalidades, de proteger o adesivo durante e o corte da abertura e proteger o adesivo durante específicas etapas de processamento de montagem da célula eletroquímica, especificamente, a etapa de preenchimento do cátodo, descrita na descrição a seguir. Em alguns exemplos, uma máscara de zinco pode compreender um filme de PET de aproximadamente 100 mícrons de espessura ao qual um adesivo sensível à pressão pode estar em ambos os lados em uma espessura de camada de aproximadamente 10 a 20 mícrons. Ambas as camadas de PSA podem ser cobertas por um filme de liberação de PET que pode ter um tratamento de superfície de baixa energia de superfície e pode ter uma espessura aproximada de 50 mícrons. Nesses exemplos, a máscara de zinco de camadas múltiplas pode compreender um filme de PSA e PET. Os constructos do filme de PET e da máscara de zinco de PET/PSA, conforme aqui descrito, podem ser processads de maneira desejável com equipamento de micromaquinação a laser de nanossegundos de precisão, como a estação de trabalho de micromaquinação a laser Oxford Lasers E-Series, para criar aberturas precisas na máscara para facilitar a galvanização posterior. Em essência, uma vez que a máscara de zinco tiver sido fabricada, um lado do forro de liberação pode ser removido e a máscara com aberturas pode ser laminada ao coletor de corrente anódica e/ou folha metálica/filme de embalagem do lado do ânodo. Dessa maneira, o PSA cria uma vedação nas bordas internas das aberturas, facilitando a limpeza e encobrimento preciso do zinco durante a galvanoplastia.
[00146] A máscara de zinco pode ser colocada e, então, a galvanização de um ou mais materiais metálicos pode ser realizada. Em alguns exemplos, o zinco pode ser galvanizado diretamente em uma folha metálica coletora de corrente de ânodo eletroquimicamente compatível, como bronze. Em exemplos de projeto alternativos, onde a embalagem do ânodo lateral compreende uma folha metálica de polímero ou folha metálica de polímero de camadas múltiplas sobre a qual a metalização de inicial foi aplicada, o zinco e/ou as soluções de folhea-mento usadas para depositar zinco podem não ser quimicamente compatíveis com a metalização inicial subjacente. As manifestações de falta de compatibilidade podem incluir rachaduras, corrosão e/ou evolução exacerbada de H2 no filme mediante contato com o eletrólito da célula. Nesse caso, metais adicionais podem ser aplicados ao metal inicial para afetar melhor a compatibilidade química geral no sistema. Um metal que pode encontrar utilidade específica nas construções de células eletroquímicas pode ser o índio. O índio pode ser amplamente usado como um componente de liga no grau de zinco da batería com sua função primária sendo para fornecer uma propriedade anti-corrosiva ao zinco na presença do eletrólito. Em alguns exemplos, o índio pode ser depositado de maneira bem sucedida em várias metali-zações iniciais, como Ti-W e Au. Os filmes resultantes de 1 a 3 mí-crons de índio nas ditas camadas de metalização inicial podem ser de baixa tensão e aderentes. Desse modo, o filme de embalagem do lado do ânodo e do coletor de corrente anexo que tem uma camada superior de índio pode ser conformável e durável. Em alguns exemplos, pode ser possível depositar zinco sobre a superfície tratada por índio, e o depósito resultante pode ser muito não uniforme e nodular. Este efeito pode ocorrer em configurações de densidade de corrente baixas, por exemplo, 20 ASF. Conforme visto com um microscópio, pode-se observar que nódulos de zinco podem ser formados sobre o depósito liso de índio subjacente. Em certos projetos de célula eletroquímica, a provisão de espaço vertical para a camada de ânodo de zinco pode ser de no máximo cerca de 5 a 10 mícrons, mas, em alguns exemplos, densidades de corrente inferiores podem ser usadas para folhear zinco, e o crescimento nodular resultante pode crescer mais alto que a provisão vertical máxima do ânodo. Pode ser que o crescimento do zinco nodular derive de uma combinação do alto sobrepotencial de índio e da presença de uma camada de óxido de índio.
[00147] Em alguns exemplos, o folheamento de DC de densidade de corrente mais alta pode superar os padrões de crescimento nodula-res de zinco relativamente grandes sobre as superfícies de índio. Por exemplo, as condições de folheamento de 100 ASF podem resultar em zinco nodular, mas o tamanho dos nódulos de zinco pode ser drasticamente reduzido se comparado às condições de folheamento de 20 ASF. Além disso, o número de nódulos pode ser vastamente maior sob condições de folheamento de 100 ASF. O filme de zinco resultante pode, finalmente, se unir a uma camada mais ou menos uniforme, com somente algumas características residuais do crescimento nodular, enquanto atinge a provisão de espaço vertical de cerca de 5 a 10 mí-crons.
[00148] Um benefício adicionado do índio na célula eletroquímica pode ser a redução da formação de H2, que pode ser um processo lento que ocorre em células eletroquímicas aquosas que contêm zinco. O índio pode ser beneficamente aplicado a um ou mais dos coletores de corrente de ânodo, o ânodo em si, como um componente de liga cofo-Iheado, ou como um revestimento de superfície sobre o zinco galvanizado. Para o último caso, os revestimentos da superfície de índio podem ser desejavelmente aplicados in-situ por meio de um aditivo de eletrólito, como tricloreto de índio ou acetato de índio. Quando tais aditivos podem ser adicionados ao eletrólito em pequenas concentrações, o índio pode espontaneamente folhear sobre superfícies expostas ao zinco, bem como porções de coletores de corrente expostas ao ânodo.
[00149] O zinco e ânodos similares comumente usados em baterias primárias comerciais são normalmente observados em formas de chapa, haste e pasta. O ânodo de uma bateria biocompatível em miniatura pode ser de forma similar, por exemplo, folha metálica fina, ou pode ser folheado conforme previamente mencionado. As propriedades desse ânodo podem diferir significativamente daquelas em baterias existentes, por exemplo, devido a diferenças em contaminantes ou acabamentos de superfície, atribuídas aos processos de usinagem e folheamento. Consequentemente, os eletrodos e o eletrólito podem exigir manipulação especial para atender aos requisitos de capacidade, impedância e de vida útil. Por exemplo, parâmetros especiais de processo de galvanização, composição de banho de galvanização, tratamento de superfície e composição de eletrólito podem ser necessários para otimizar o desempenho do eletrodo.
MISTURA DE CÁTODQ
[00150] Pode haver várias misturas químicas de cátodo que podem ser consistentes com os conceitos da presente invenção. Em alguns exemplos, uma mistura de cátodo, que pode ser um termo para uma fórmula química usada para formar um cátodo da bateria, pode ser aplicada como uma pasta, gel, suspensão ou pasta fluida, e pode compreender um óxido metálico de transição, como dióxido de manganês, alguns na forma de aditivo condutor, que, por exemplo, podem ser uma forma de pó condutor, como negro-de-fumo ou grafite, e polímero solúvel em água, como polivinilpirrolidona (PVP) ou alguns outros aditivos aglutinantes. Em alguns exemplos, outros componentes podem ser incluídos, como um ou mais dentre aglutinantes, sais ele-trólitos, inibidores de corrosão, água ou outros solventes, tensoativos, modificadores de reologia e outros aditivos condutores, como, polímeros condutores. Uma vez formuladas e apropriadamente misturada, a mistura de cátodos pode ter uma reologia desejável que permita que a mesma ou seja dispensada sobre porções desejadas do separador e/ou coletor de corrente catódica, ou espalhada através de uma tela ou estêncil de uma maneira similar. Em alguns exemplos, a mistura de cátodos pode ser seca antes de ser usada em futuras etapas de mon- tagem da célula, enquanto que, em outros exemplos, o cátodo pode conter alguns ou todos os componentes de eletrólitos, e pode ser somente parcialmente seco a um teor de umidade selecionado.
[00151] O óxido metálico de transição pode, por exemplo, ser dióxido de manganês. O dióxido de manganês, que pode ser usado na mistura de cátodo, pode ser, por exemplo, dióxido de manganês eletrolíti-co (DME), devido à energia específica adicional benéfica que esse tipo de dióxido de manganês fornece em relação a outras formas, como dióxido de manganês natural (NMD) ou dióxido de manganês químico (CMD). Além disso, o DME útil em baterias da presente invenção pode precisar ter um tamanho de partícula e uma distribuição de tamanho de partícula que possam ser condutores para a formação de pas-tas/pastas fluidas de mistura de cátodos imprimíveis ou depositáveis. Especificamente, o DME pode ser processado para remover componentes de partículas significativamente grandes, que podem ser considerados grandes em relação aos outros recursos, como dimensões internas da bateria, espessura do separador, diâmetros de ponta de distribuição, tamanhos de abertura de estêncil, ou tamanhos de malha da tela. A otimização do tamanho da partícula pode também ser usada para melhorar o desempenho da bateria, por exemplo, a impedância interna e a capacidade de descarga.
[00152] A moagem é a redução de materiais sólidos de um tamanho médio de partícula para um tamanho médio menor de partícula, triturando, moendo, cortando, vibrando ou outros processos. A moagem pode também ser usada para liberar materiais úteis dos materiais da matriz na qual eles podem estar anexos e para concentrar minerais. Um moinho é um dispositivo que quebra materiais sólidos em pedaços menores moendo, triturando ou cortando. Pode haver vários meios para moer e muitos tipos de materiais processados nos mesmos. Tais meios de moagem podem incluir: moinho de esferas, moinho de enge- nho, morteiro e pilão, prensa de rolos e moinho de jato, entre outras alternativas de moagem. Um exemplo de moagem pode ser a moagem por jato. Após a moagem, o estado do sólido é alterado, por exemplo, o tamanho de partícula, a disposição do tamanho da partícula e o formato da partícula. Processos de moagem de agregado podem também ser usados para remover ou separar contaminação ou umidade do agregado para produzir "preenchimentos a seco" antes do transporte ou do preenchimento estrutural. Alguns equipamentos podem combinar várias técnicas para classificar um material sólido em uma mistura de partículas cujo tamanho é limitado tanto por um tamanho de partícula mínimo quanto máximo. Tal processamento pode ser referido como "classificadores" ou "classificação".
[00153] A moagem pode ser um aspecto de produção de mistura de cátodos para a distribuição uniforme do tamanho da partícula dos ingredientes da mistura de cátodos. O tamanho de partícula uniforme em uma mistura de cátodo pode auxiliar em viscosidade, reologia, ele-trocondutividade e outras propriedades de um cátodo. A moagem pode auxiliar essas propriedades através do controle da aglomeração, ou uma coleta de massa, dos ingredientes de mistura de cátodo. Aglomeração - o agrupamento de elementos dispersos que, no caso da mistura de cátodo, podem ser alótropos de carbono e óxidos metálicos de transição - pode afetar negativamente o processo de preenchimento, deixando espaços vazios na cavidade desejada do cátodo, conforme ilustrado na Figura 11.
[00154] Ainda, a filtração pode ser outra etapa importante para a remoção de partículas aglomeradas ou indesejáveis. As partículas indesejáveis podem incluir partículas enormes, contaminantes, ou outras partículas não explicitamente levadas em consideração no processo de preparação. A filtração pode ser alcançada por meios, como filtração por filtro de papel, filtração a vácuo, cromatografia, microfiltração e outros meios de filtração.
[00155] Em alguns exemplos, o DME pode ter um tamanho médio de partícula de 7 mícrons com um conteúdo de partícula grande que pode conter partículas de até cerca de 70 mícrons. Em exemplos alternativos, o DME pode ser peneirado, moído adicionalmente, ou, de outro modo, separado ou processado para limitar o teor de partículas grandes abaixo de certo limiar de, por exemplo, 25 mícrons ou menor.
[00156] O cátodo pode também compreender dióxido de prata ou oxihidróxido de níquel. Tais materiais podem oferecer elevada capacidade e menor diminuição em tensão carregada durante a descarga em relação ao dióxido de manganês, ambas propriedades desejáveis em uma bateria. As baterias com base nesses cátodos podem ter exemplos atuais presentes na indústria e na literatura. Uma microbateria inovadora que utiliza um cátodo de dióxido de prata pode incluir um eletrólito biocompatível, por exemplo, um que compreenda cloreto de zinco e/ou cloreto de amônio ao invés de hidróxido de potássio.
[00157] Alguns exemplos da mistura de cátodos podem incluir um aglutinante polimérico. O aglutinante pode servir a inúmeras de funções na mistura de cátodos. A função primária do aglutinante pode ser criar uma rede elétrica interpartículas suficiente entre partículas de DME e partículas de carbono. Uma função secundária do aglutinante pode ser facilitar a adesão mecânica e o contato elétrico com o coletor de corrente catódica. Uma terceira função do aglutinante pode ser influenciar as propriedades reológicas da mistura de cátodos para distribuição e/ou impressão com estêncil/tela vantajosa. Ainda, uma quarta função do aglutinante pode ser aumentar a absorção e distribuição do eletrólito dentro do cátodo.
[00158] A escolha do polímero aglutinante, bem como da quantidade a ser usada, pode ser benéfica para a função do cátodo na célula eletroquímica da presente invenção. Se o polímero aglutinante for so- lúvel demais no eletrólito a ser usado, então, a função primária do aglutinante - continuidade elétrica - pode ser drasticamente impacta-da ao ponto da não funcionalidade da célula. Inversamente, se o polímero aglutinante for insolúvel no eletrólito para ser usado, porções de DME podem ser ionicamente isoladas do eletrólito, resultando no desempenho de célula reduzido, como capacidade reduzida, tensão de circuito aberto inferior e/ou resistência interna elevada.
[00159] O aglutinante pode ser hidrofóbico; pode também ser hidro-fílico. Os exemplos de polímeros aglutinantes úteis para a presente invenção compreendem PVP, poliisobutileno (PIB), copolímeros de tri-bloco emborrachados que compreendam blocos de extremidade de estireno, como aqueles fabricados pela Kraton Polymers, copolímeros de bloco de borracha de butadieno estireno, ácido poliacrílico, hidro-xietilcelulose, carboximetilcelulose, sólidos de fluorocarboneto, como poli(tetrafluoroetileno), entre outros.
[00160] Um solvente pode ser um componente da mistura de cáto-dos. Um solvente pode ser útil para umedecer a mistura de cátodos, o que pode auxiliar na distribuição de partículas da mistura. Um exemplo de um solvente pode ser tolueno. Também, um tensoativo pode ser útil para umedecer e, assim, distribuir a mistura de cátodos. Um exemplo de um tensoativo pode ser um detergente, como Triton™ QS-44. O Triton™ QS-44 pode auxiliar na dissociação de ingredientes agregados na mistura de cátodos, permitindo uma distribuição mais uniforme dos ingredientes da mistura de cátodos.
[00161] Um carbono condutor pode normalmente ser usado na produção de um cátodo. O carbono é capaz de formar muitos alotrópicos ou modificações estruturais diferentes. Os alótropos de carbono diferentes têm propriedades físicas diferentes, permitindo a variação na eletrocondutividade. Por exemplo, a "viscosidade" do negro-de-fumo pode ajudar na aderência de uma mistura de cátodos a um coletor de corrente. Entretanto, em elementos de energização que exige quantidades relativamente baixas de energia, essas variações na eletrocon-dutividade podem ser menos importantes que outras propriedades favoráveis, como densidade, tamanho de partícula, condutividade de calor e uniformidade relativa, entre outras propriedades. Os exemplos de alótropos de carbono incluem: diamante, grafite, grafeno, carbono amorfo (informalmente chamado de negro-de-fumo), buckminsterfule-rano, carbono vítreo, aerogéis de carbono e outras possíveis formas de carbono capazes de conduzir eletricidade. Um exemplo de um aló-tropo de carbono pode ser grafite.
[00162] Um exemplo de uma formulação completa de mistura de cátodos pode ser dado na tabela abaixo: 00163] onde PIB é poliisobutileno, JMEMD é dióxido de manganês moído a jato, KS6 é um grafite produzido por Timcal e PIB B10 é poliisobutileno com um grau de peso molecular de B10, [00164] Uma vez formulada e processada a mistura de cátodos, a mistura pode ser dispensada, aplicada e/ou armazenada em uma superfície, como o separador de hidrogel, ou o coletor de corrente cató-dica, ou em um volume, como a cavidade na estrutura laminar. Preencher uma superfície pode resultar em um volume sendo preenchido ao longo do tempo. Para aplicar, dispensar e/ou armazenar a mistura, certa reologia pode ser desejada para otimizar o processo de distribuição, aplicação e/ou armazenamento. Por exemplo, uma reologia menos viscosa pode permitir um preenchimento melhor da cavidade enquanto, ao mesmo tempo, possivelmente sacrifica a distribuição de partículas. Uma reologia mais viscosa pode permitir uma distribuição de partícula mais otimizada, enquanto possivelmente diminuir a capacidade de preencher a cavidade e possivelmente perder eletroconduti-vidade.
[00165] Por exemplo, as Figuras 10A a 10F ilustram exemplos de distribuições e aplicações otimizadas e não otimizadas em uma cavidade. A Figura 10A mostra um exemplo de uma cavidade preenchida de forma ideal com a mistura de cátodos após a aplicação, distribuição e/ou armazenamento. A Figura 10B mostra um exemplo de uma cavidade com preenchimento insuficiente no quadrante inferior esquerdo 1002, que pode ser resultado direto da reologia indesejável da mistura de cátodos. A Figura 10C mostra um exemplo de uma cavidade com preenchimento insuficiente no quadrante superior direito 1004, que pode ser resultado direto da reologia indesejável da mistura de cátodos. As Figuras 10D e 10E mostram exemplos de uma cavidade com preenchimento no meio 1006 ou no fundo 1008 da cavidade, que pode ser uma bolha causada por um resultado direto da reologia indesejável da mistura de cátodos. A Figura 10F mostra um exemplo de uma cavidade com preenchimento insuficiente em direção ao topo 1010 da cavidade, que pode ser um resultado direto da reologia indesejável da mistura de cátodo reologia. Os defeitos exemplificadores ilustrados nas Figuras 10B a 10F podem resultar em vários problemas da batería, por exemplo, capacidade reduzida, resistência interna elevada e segurança degradada.
[00166] Ainda, na Figura 11, a aglomeração 1102 pode ocorrer como resultado da reologia indesejável da mistura de cátodos. A aglomeração pode resultar em diminuição do desempenho da mistura de cátodo, por exemplo, capacidade de descarga diminuída e resistência interna elevada.
[00167] Em um exemplo, a mistura de cátodo pode parecer com uma consistência de pasta de amendoim otimizada para preencher por espátula a cavidade de constructo laminar enquanto mantém a eletro-condutividade. Em outro exemplo, a mistura pode ser viscosa o suficiente para ser impressa na cavidade. Enquanto que, em outro exemplo, a mistura de cátodos pode ser seca, colocada e armazenada na cavidade.
FABRICAÇÃO DE CÁTQDO
[00168] A química da pasta fluida para cátodo poderá ter um papel determinante no desempenho da pasta fluida para cátodo. Os aditivos para pastas fluidas para cátodo podem consistir em oxidantes, tampões, estabilizantes, tensoativos, agentes de passivação, agentes complexantes, inibidores de corrosão, ou outros agentes para conferir seletividade a várias superfícies. Além disso, as pastas fluidas para cátodo podem conter aditivos para estabilidade coloidal e/ou tampões para resistir aos impactos de pH. Desenvolver boa pasta fluida para cátodo pode exigir contrabalançar as combinações desses e de outros aditivos de forma que ofereçam o desempenho necessário como também as características físicas e químicas indispensáveis.
[00169] O tamanho de partícula pode afetar o desempenho da pasta fluida para cátodo. A distribuição de tamanho de partícula pode ser medida, por exemplo, por difração de laser, dispersão dinâmica de luz, fracionamento hidrodinâmico, sedimentação e métodos acústicos. Em alguns exemplos, a estimativa do tamanho de partícula pode gerar valores relativos ao invés de valores absolutos que podem depender da técnica de medição usada. O controle do processo das características do material da pasta fluida pode, entretanto, ser eficaz com base no controle de valores relativos dentro das especificações do controle do processo.
[00170] As pastas fluidas para cátodo podem consistir em uma fase líquida, como um solvente, e uma fase sólida, como oxidantes, tensoa- tivos, agentes complexantes, tampões e/ou outros aditivos. Os dois componentes podem ser armazenados separadamente em virtude de estabilidade física ou química. O número de componentes na pasta fluida para cátodo pode afetar o processo de fabricação. A robustez do processo de fabricação pode depender da variância minimizada da proporção da mistura dos componentes, em particular porque o número de componentes aumenta. Por outro lado, pode haver acionadores importantes, incluindo componentes adicionais. Em um exemplo não-limitador, pode ser útil incluir um biocida como um componente da formulação de uma pasta fluida para cátodo para a biocompatibilidade e longevidade do tempo de utilização da pasta fluida (a duração da pasta fluida para cátodo depois que os componentes são misturados). Em tais exemplos, a adição do componente extra de biocida não pode se relacionar ao desempenho significativo das baterias resultantes, porém, pode ser importante independente dos motivos declarados. O controle da proporção da mistura de todos os componentes em uma mistura de pasta fluida pode ajudar no controle de modo geral em formulações complexas. Em outros exemplos, pastas fluidas para cátodo de múltiplos componentes podem ter um tempo de utilização da mistura limitado. Para algumas formulações complexas, pode haver alterações na pasta fluida com o passar do tempo depois que esta foi misturada em virtude de eventos como evaporação ou absorção ou dessor-ção de gases da mistura. Em tais exemplos, o controle sobre a diluição e pH pode precisar ser levado em consideração ao adicionar mais componentes.
[00171] A estabilidade coloidal da pasta fluida para cátodo pode também ser um fator importante a ser levado em consideração na fabricação. Por exemplo, a pasta fluida para cátodo na qual a natureza coloidal é instável pode ter mais partículas decantando da mistura. Portanto, as pastas fluidas para cátodo instáveis podem precisar de alterações mais frequentes de filtros e podem precisar de equipamento especial de mistura. Caso uma formulação seja aperfeiçoada tanto quanto for prático e tiver um grau de instabilidade coloidal, pode exigir monitoramento significativo de vários parâmetros do processo para assegurar que a formulação permanecerá em uma faixa de especificação desejada. Como parte de alcançar um grau de estabilidade coloidal, a formulação pode incluir tensoativos para alterar as características de superfície de alguns sólidos na pasta fluida. Em outros exemplos, controles ambientais podem ser usados para otimizar a estabilidade coloidal. Por exemplo, a temperatura da mistura da pasta fluida e o controle daquela temperatura dentro de uma faixa podem otimizar a estabilidade. Portanto, em alguns exemplos, as formulações para pastas fluidas para cátodo podem exigir faixas de temperatura ideal durante a fabricação, que pode incluir aspectos de armazenamento, mistura e distribuição, como também os próprios aspectos de processamento de batería.
[00172] A natureza e composição da pasta fluida para cátodo podem ter um efeito na capacidade de fabricação. Na fabricação de grande escala, a pasta fluida para cátodo pode ser produzida e entregue por meio de um sistema de distribuição de pasta fluida para cátodo (cSDS), conforme ilustrado de modo exemplar na Figura 12. Na Figura 12, todos os reagentes 1200 para a pasta fluida para cátodo podem ser mantidos separadamente em células individuais. Isso pode incluir reagentes individuais de fase sólida 1202, 1204, 1208 e reagentes individuais de fase líquida 1206. Em um exemplo, um primeiro componente de fase sólida pode ser Dióxido de manganês eletrolítico de moagem a jato (JMEMD); um segundo reagente de fase sólida pode ser negro-de-fumo; um terceiro componente de fase sólida pode ser poli-isobutileno (PIB); e um primeiro componente de fase líquida pode ser tolueno. Esses reagentes podem ser comprados de um fornecedor comercial ou produzidos internamente.
[00173] Independentemente da origem dos reagentes, precisa ocorrer um nível de processamento de reagente 1210. O processamento de reagente pode incluir peneirar 1212, 1214, 1218, filtrar 1216, ou ambos. Em um exemplo, o dióxido de manganês eletrolítico de moa-gem a jato pode ser peneirado 1212 para um tamanho ideal de partícula; o negro-de-fumo pode ser peneirado 1214 para um tamanho ideal de partícula; O poli-isobutileno pode ser peneirado 1218 para um tamanho ideal de partícula; e o tolueno pode ser filtrado 1216 para remover quaisquer contaminantes ou partículas indesejadas. Os meios de peneira podem incluir o uso de ferramentas de peneiragem como: cesto coador, coador Y, coador alargado na borda, coador de válvula de base, peneira de metal, coador, peneiras graduadas, filtro de rede e outros dispositivos usados para distribuição de tamanho de partícula. Pode-se filtrar usando meios de filtragem como: papel de filtro, microfil-tração, ultrafiltração, nanofiltração, cromatografia e outras formas de filtração.
[00174] Quando os reagentes foram processados, podem estar prontos para transferência para pré-mistura de reagente 1220. Dependendo do tipo desejado de pasta fluida para cátodo, os reagentes podem ser pré-misturados em uma variedade de combinações. Um exemplo pode ser pré-misturar duas fases sólidas juntas em uma célula, e pré-misturar uma fase sólida com uma líquida em uma outra célula. Por exemplo, o dióxido de manganês eletrolítico de moagem a jato e o negro-de-fumo podem ser pré-misturados juntos em uma pré-mistura de fase sólida 1222 e o tolueno e o poli-isobutileno podem ser pré-misturados junto em uma pré-mistura diferente de fase líquida 1224.
[00175] Depois da pré-mistura, o sistema de distribuição de pasta fluida para cátodo pode incorporar funcionalidade adicionada que permite o monitoramento e manutenção da qualidade da pasta fluida para cátodo 1230, que pode ser importante para maximizar o rendimento. Cada célula da pré-mistura pode exigir medidas distintas de controle de qualidade, 1232 e 1234, otimizadas para a fase de pré-mistura que está recebendo. Parâmetros comumente medidos podem incluir pH, gravidade específica e distribuição de tamanho de partícula e concentração de oxidante. Adicionalmente, bombas, válvulas, encaixes e outros componentes podem ter um efeito nas propriedades da pasta fluida para cátodo. Em um exemplo, a pré-mistura de fase sólida 1222 pode exigir controle de qualidade de distribuição de tamanho de partícula 1232 por inspeção apropriada.
[00176] Para monitorar o comportamento da pasta fluida para cátodo, ambas propriedades físicas e químicas podem ser medidas. As medidas de propriedades físicas podem incluir pH, peso por galão, gravidade específica, condutividade e sólidos por cento. A viscosidade pode ser medida usando um viscosímetro BROOKFIELD, que pode ser útil uma vez que as pastas fluidas para cátodo podem se comportar de uma maneira newtoniana (a viscosidade é independente da taxa de cisalhamento). No entanto, algumas formulações de pastas fluida úteis para formação de cátodo podem resultar em pastas fluidas que podem ser caracterizadas como pastas fluidas para cátodo não-newtonianas. Em exemplos da dinâmica de pasta fluida não-newtoniana, a viscosidade pode ser medida como uma função da taxa de cisalhamento usando uma taxa de cisalhamento ou reômetro de tensão controlada. Um exemplo de uma viscosidade útil para aplicações de pasta fluida para cátodo, de acordo com os exemplos da presente revelação para enchimento de cavidades, pode ser aproximadamente 250.000 Pa.s. A viscosidade pode ser uma métrica importante que pode ter que ser medida no circuito do sistema de distribuição de pasta fluida para cátodo como também durante a distribuição como parte de um sistema de controle de qualidade para minimizar a variabi- lidade nas propriedades da pasta fluida que é entregue durante a fabricação de baterias biocompatíveis.
[00177] Depois do controle de qualidade, as fases sólidas e fases líquidas podem ser misturadas juntas 1240 para formar uma mistura de pasta fluida 1242. A mistura de pasta fluida pode estar contida em uma célula onde a mistura constante está ocorrendo a fim de evitar que as fases da pasta fluida se separem. Isso pode ser feito com um misturador de tamanho industrial.
[00178] Quando a mistura de pasta fluida foi realizada, pode-se passar para outra etapa de filtração e controle de qualidade 1244. A pasta fluida para cátodo aprovada por essa etapa de controle de qualidade pode prosseguir para o armazenamento da pasta fluida 1250. O armazenamento da pasta fluida pode ser usado para fabricação de alto volume para acompanhar os requisitos de volume. A mistura de pasta fluida para cátodo contida no recipiente de armazenamento pode precisar ser recirculada 1253 de volta à mistura de pasta fluida 1242 a fim de remisturar as fases sólidas e líquidas de novo na mistura de pasta fluida. Essa etapa pode ser usada porque a pasta fluida mantida nas linhas de transporte ao longo do sistema de distribuição de pasta fluida para cátodo pode exigir a remistura também. A recirculação da mistura de pasta fluida para cátodo pode ser implementada por meio de diafragma duplicado ou bombas de fole, como também métodos de pressão/pressão ou pressão de vácuo. Engrenagens, pá de hélice ou bombas centrífugas podem gerar alto cisalhamento que pode causar agregação no sistema. Como um exemplo, uma taxa de fluxo mínima de 1 m/s pode ser usada para recirculação da pasta fluida para cátodo. A mistura de pasta fluida para cátodo em armazenamento de pasta fluida 1252 pode, então, prosseguir para a etapa de filtração e controle de qualidade 1254 antes de passar para a distribuição/enchimento da pasta fluida 1260.
[00179] A distribuição/enchimento da pasta fluida pode exigir a obtenção da estrutura laminar com uma cavidade 1262. Quando se obteve a estrutura laminar com uma cavidade 1262, a mistura de pasta fluida para cátodo pode ser depositada sobre uma superfície desejada, por exemplo, a estrutura laminar. A distribuição/enchimento pode ser realizada, por exemplo, pelo método todo conforme ilustrado na Figura 8. Após a distribuição/enchimento da pasta fluida, as etapas de secagem 1270 podem ser realizadas incluindo a fase líquida em excesso de secagem ou evaporação 1272 como tolueno.
[00180] Numerosas etapas foram descritas em referência à presente invenção de uma maneira exemplificadora. Pode-se entender que várias modificações, adições, deleções e alterações de tal natureza são possíveis dentro do escopo da presente invenção. Como um exemplo, os vários materiais podem ter pré ou pós tratamentos executados neles adicionalmente ao que foi descrito.
[00181] O manuseio da pasta fluida para cátodo em um sistema de distribuição de pasta fluida para cátodo pode ser uma tarefa delicada e deve-se tomar cuidado para assegurar que a pasta fluida para cátodo não seja danificada. Isso pode significar não sujeitar a pasta fluida para cátodo a cisalhamento que seja muito alto (pode causar agregação) ou muito baixo (pode causar decantação), mantendo o espaço livre ("headspace") nos tanques úmido, e executando manutenção regular no sistema. A otimização do sistema de distribuição de pasta fluida para cátodo pode ser necessária para reduzir a agregação e minimizar a variação do processo.
ARQUITETURA E FABRICAÇÃO DA BATERÍA
[00182] A tecnologia de arquitetura e fabricação da bateria pode estar proximamente interligada. Conforme discutido em seções anteriores da presente invenção, a bateria tem os seguintes elementos: cátodo, ânodo, separador, eletrólito, coletor de corrente catódica, coletor de corrente anódica e embalagem. Os projetos inteligentes podem tentar combinar esses elementos em subconjuntos fáceis de fabricar. Em outros exemplos, o projeto otimizado pode ter componentes de uso duplo, como, o uso de uma embalagem de metal para duplicar, como um coletor de corrente. A partir de um ponto de vista de volume e espessura relativo, esses elementos podem ser aproximadamente todos de mesmo volume, exceto o cátodo. Em alguns exemplos, o sistema eletroquímico pode exigir cerca de duas (2) a dez (10) vezes o volume do cátodo como ânodo devido às diferenças significantes na densidade mecânica, energia de densidade, eficiência de descarga, pureza do material e presença de aglutinantes, enchedores e agentes condutores. Nestes exemplos, a escala relativa de vários componentes pode ser aproximada nas seguintes espessuras dos elementos: Coletor de corrente do ânodo = 1 pm; Coletor de corrente do cátodo = 1 pm; Ele-trólito = líquido intersticial (efetivamente 0 pm); Separador = tão delgado ou espesso quanto desejado onde a espessura máxima planejada seja de aproximadamente 15 pm; Ânodo = 5 pm; e o cátodo = 50 pm. Para esses exemplos de elementos, a embalagem necessária para fornecer proteção suficiente para manter a química da batería em ambientes de uso pode ter uma espessura máxima planejada de aproximadamente 50 pm.
[00183] Em alguns exemplos, que podem ser fundamentalmente diferentes de constructos prismáticas grandes, como formas cilíndricas e retangulares e que podem ser diferentes do constructo de estado sólido baseada na pastilha, tais exemplos podem assumir um constructo do tipo "bolsa", usando mantas ou lâminas fabricadas em várias configurações, com elementos de batería dispostos na parte interna. A restrição pode ter dois filmes ou um filme dobrado sobre o outro lado, cujas configurações podem formar aproximadamente duas superfícies, que podem ser, então, seladas no perímetro para formar um recipiente. Esse fator de forma fina-mas-ampla pode tornar os próprios elementos de batería finos e amplos. Além disso, esses exemplos podem ser adequados para aplicação através de revestimento, rotogravura, serigrafia, bombardeamento iônico, ou outra tecnologia de fabricação similar.
[00184] Pode haver várias disposições dos componentes internos, como o ânodo, separador e cátodo, nesses exemplos de bateria "do tipo bolsa" com fator de forma fina mas ampla. Dentro da região fechada formada pelos dois filmes, esses elementos básicos podem ser tanto "coplanares", que é lado a lado no mesmo plano, ou "cofaciais", que podem ser face a face nos planos opostos. Na disposição copla-nar, o ânodo, o separador e o cátodo podem ser depositados na mesma superfície. Para a disposição cofacial, o ânodo pode ser depositado na superfície-1, o cátodo pode ser depositado na superfície-2 e o separador pode ser colocado entre os dois, tanto depositado em um dos lados, quanto inserido como seu próprio elemento separado.
[00185] Um outro tipo de exemplo pode ser classificado como montagem laminada, que pode envolver o uso de filmes, tanto em uma forma de manta quanto uma forma de lâmina, para construir uma bateria camada por camada. As lâminas podem ser ligadas entre si usando adesivos, como adesivos sensíveis à pressão, adesivos termicamente ativados, ou adesivos à base de reação química. Em alguns exemplos, as lâminas podem ser ligadas por técnicas de soldagem, como solda-gem térmica, soldagem ultrassônica e similares. As lâminas podem ser susceptíveis às práticas de indústria padrão, como montagem roio-a-rolo (R2R), ou lâmina-a-lâmina. Conforme indicado previamente, um volume interior para o cátodo pode precisar ser substancialmente maior que os outros elementos ativos na bateria. Grande parte de um constructo da bateria poderá ter de criar o espaço desse material ca-tódico e apoiar sua migração durante o dobramento da bateria. Uma outra porção do constructo da bateria que pode consumir porções sig- nificantes da espessura pode ser o material separador. Em alguns exemplos, uma forma de lâmina do separador pode criar uma solução vantajosa para processamento do laminado. Em outros exemplos, o separador pode ser formado pela dispersão de material de hidrogel em uma camada para agir como o separador.
[00186] Nesses exemplos de montagem de batería laminada, o produto em formação pode ter uma lâmina de ânodo, que pode ser uma combinação de uma camada de embalagem e um coletor de corrente anódica, bem como substrato para a camada de ânodo. O produto em formação pode também ter uma lâmina espaçadora do separador opcional, uma lâmina espaçadora catódica e uma lâmina catódica. A lâmina catódica pode ser uma combinação de uma camada de embalagem e uma camada do coletor de corrente de cátodo.
[00187] O contato íntimo entre os eletrodos e os coletores de corrente é de importância crítica para reduzir a impedância e aumentar a capacidade de descarga. Se as porções do eletrodo não estiverem em contato com o coletor de corrente, a resistência pode aumentar, visto que a condutividade é, então, através do eletrodo (tipicamente menos condutivo que o coletor de corrente), ou uma porção do eletrodo pode se tornar totalmente desconectada. Nas baterias em forma de moeda e cilíndricas, a intimidade é realizada com força mecânica para frisar a lata, colar em uma lata ou através de meios similares. As arruelas onduladas ou as molas similares são usadas em células comerciais para manter a força dentro da bateria; entretanto, as mesmas podem acrescer em toda a espessura de uma bateria em miniatura. Em típicas baterias adesivas, um separador pode ser saturado em eletrólito, colocado pelos eletrodos e pressionado pela embalagem externa. Em uma bateria laminar cofacial há vários métodos para aumentar a intimidade do eletrodo. O ânodo pode ser colocado diretamente no coletor de corrente em vez de utilizar uma pasta. Este processo inerentemente re- sulta em um alto nível de intimidade e condutividade. O cátodo, entretanto, é tipicamente uma pasta. Embora o material aglutinante presente na pasta do cátodo possa fornecer adesão e coesão, pressão mecânica pode ser necessária para garantir que a pasta do cátodo permaneça em contato com o coletor de corrente catódica. Isso pode ser especialmente importante conforme a embalagem é fixada e a batería envelhece e é descarregada, por exemplo, conforme a umidade deixa a embalagem através de vedações finas e pequenas. A compressão do cátodo pode ser obtida na batería laminar cofacial através da introdução de um separador e /ou eletrólito compatível entre o ânodo e o cátodo. Um eletrólito em gel ou separador de hidrogel, por exemplo, podem se comprimir na montagem e não simplesmente escorrer para fora da batería, como um eletrólito líquido pode. Uma vez que a batería é selada, o eletrólito e/ou o separador podem, então, empurrar de volta contra o cátodo. Uma etapa de gofragem pode ser realizada após a montagem da pilha laminar, introduzindo a compressão na pilha.
[00188] A mistura de cátodo para uso em baterias biocompatíveis pode ser usada em dispositivos biocompatíveis como, por exemplo, dispositivos eletrônicos implantáveis, como marcapassos e coletores de microenergia, pílulas eletrônicas para monitorar e/ou testar uma função biológica, dispositivos cirúrgicos com componentes ativos, dispositivos oftálmicos, bombas microdimensionadas, desfibriladores, stents e similares.
[00189] Os exemplos específicos foram descritos para ilustrar as modalidades da amostra para a mistura de cátodo para uso em baterias biocompatíveis. Esses exemplos têm o propósito de ilustrar e não se destinam a limitar o escopo das reivindicações de qualquer maneira. Consequentemente, a descrição tem como intenção englobar todos os exemplos que podem ser evidentes aos versados na técnica.
REIVINDICAÇÕES

Claims (24)

1. Método para fabricação de uma pasta fluida para cátodo para uso em uma bateria biocompatível, caracterizado por compreender as etapas de: misturar uma ou mais de uma pré-mistura de fase líquida com uma ou mais de uma pré-mistura de fase sólida em uma mistura de pasta fluida para cátodo; obter uma estrutura laminar em que a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade; filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo; e distribuir a mistura de pasta fluida para cátodo na cavidade da estrutura laminar para formar um cátodo biocompatível para uso em uma bateria biocompatível.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente a verificação de uma qualidade da pré-mistura de fase sólida e pré-mistura de fase líquida.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente o armazenamento e a recirculação da mistura de pasta fluida para cátodo após filtragem da mistura de pasta fluida para cátodo.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente a secagem da mistura de pasta fluida para cátodo.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pré-mistura de fase líquida compreende um ou mais reagentes, em que pelo menos um reagente é um reagente de fase líquida.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender adicionalmente a filtragem dos reagentes de fase líquida.
7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um reagente de fase líquida compreende um solvente.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o solvente compreende tolueno.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pré-mistura de fase sólida compreende um ou mais reagentes de fase sólida.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender adicionalmente a peneiragem de reagentes de fase sólida a um tamanho de partícula uniforme.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o reagente de fase sólida compreende um dióxido de manganês eletrolítico de moagem a jato.
12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que uma pré-mistura de fase sólida compreende um óxido de metal de transição.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o óxido de metal de transição compreende dióxido de manganês.
14. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que um reagente de fase sólida compreende um alótropo de carbono.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o alótropo de carbono compreende grafite.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o grafite compreende negro-de-fumo.
17. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a pré-mistura de fase líquida compreende um agluti-nante hidrofóbico.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o aglutinante hidrofóbico compreende poli-isobutileno (PIB).
19. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o aglutinante hidrofóbico compreende um sólido de fluorocarboneto.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o sólido de fluorocarboneto compreende po-li(tetrafluoroetileno) (PTFE).
21. Método para fabricação de um cátodo biocompatível para uso em uma batería biocompatível, caracterizado por compreender as etapas de: obter tolueno, dióxido de manganês, negro-de-fumo e poli-isobutileno; filtrar tolueno; peneirar dióxido de manganês; peneirar negro-de-fumo; peneirar poli-isobutileno; misturar tolueno e poli-isobutileno em uma pré-mistura de fase líquida; misturar dióxido de manganês e negro-de-fumo em uma pré-mistura de fase sólida; verificar uma qualidade de ambas as pré-misturas de fase líquida e fase sólida; misturar a pré-mistura de fase sólida e a pré-mistura de fase líquida em uma mistura de pasta fluida para cátodo; filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo; armazenar a mistura de pasta fluida para cátodo; recircular a mistura de pasta fluida para cátodo; obter uma estrutura laminar em que a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade; filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo armazenada; distribuir a mistura de pasta fluida para cátodo na cavidade da estrutura laminar; e secar a mistura de pasta fluida para cátodo para formar um cátodo biocompatível para uso em uma batería biocompatível.
22. Método para fabricação de uma pasta fluida para cátodo para uso em um dispositivo biomédico, caracterizado por compreender as etapas de: misturar uma ou mais de uma pré-mistura de fase líquida com uma ou mais de uma pré-mistura de fase sólida em uma mistura de pasta fluida para cátodo; obter uma estrutura laminar em que a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade; filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo; e distribuir a mistura de pasta fluida para cátodo na cavidade da estrutura laminar formando uma pasta fluida para cátodo para uso em um dispositivo biomédico; em que o dispositivo biomédico compreende um dispositivo de inserção compreendendo: um elemento eletroativo responsivo a um sinal de tensão de controle; uma batería biocompatível; em que a batería biocompatível compreende: um primeiro e um segundo eletrodo; um ânodo; um separador; uma estrutura laminar, em que pelo menos uma camada da estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade; e a pasta fluida para cátodo em que pelo menos um tamanho médio molecular de um componente da pasta fluida para cátodo é reduzido no tamanho de partícula pela moagem do dito componente; e em que a pasta fluida para cátodo é capaz de encher a cavidade, com base na sua reologia, enquanto mantém a eletroconduti-vidade através da estrutura laminar na cavidade; e um circuito eletricamente conectado a uma batería biocom-patível, em que o circuito fornece o sinal de tensão de controle.
23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o dispositivo biomédico é uma lente de contato.
24. Método para fabricação de uma pasta fluida para cátodo para uso em um dispositivo biomédico, caracterizado por compreender as etapas de: misturar uma ou mais de uma pré-mistura de fase líquida com uma ou mais de uma pré-mistura de fase sólida em uma mistura de pasta fluida para cátodo; obter uma estrutura laminar em que a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade; filtrar a mistura de pasta fluida para cátodo; e distribuir a mistura de pasta fluida para cátodo na cavidade da estrutura laminar formando uma mistura de pasta fluida para cátodo para uso em um dispositivo biomédico; em que o dispositivo biomédico compreende: um dispositivo de elemento de inserção que compreende: um elemento eletroativo responsivo a um sinal de tensão de controle; uma batería biocompatível; em que a bateria biocompatível compreende: um primeiro e um segundo eletrodo; um ânodo; um separador; e a cavidade para armazenar uma mistura de cátodo; em que a mistura de cátodo tem capacidade para armazenamento, com base na sua reologia, enquanto mantém a eletrocondu-tividade e a biocompatibilidade; em que a mistura de pasta fluida para cátodo compreende: dióxido de manganês; grafite; poliisobutileno (PIB); tolueno; e em que pelo menos um tamanho molecular médio de um componente da mistura de cátodo é reduzido no tamanho da partícula por moagem do dito componente; e um circuito eletricamente conectado à batería biocompatí-vel, em que o circuito fornece o sinal de tensão de controle.
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