BR102018008316A2 - métodos para fabricação de pasta fluida para catodo biocompatível para uso em baterias biocompatíveis para uma lente de contato - Google Patents

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BR102018008316A2
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Frederick A. Flitsch
Jorge Gonzalez
Katherine Hardy
Edward R. Kernick
Daniel B. Otts
Randall B. Pugh
James Daniel Riall
Adam Toner
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Johnson & Johnson Vision Care, Inc.
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Abstract

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 energização biocompatíveis envolvem formar cavidades que compreendem química de catodo ativo. os elementos ativos do catodo e do anodo 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

(54) Título: MÉTODOS PARA FABRICAÇÃO DE PASTA FLUIDA PARA CATODO BIOCOMPATIVEL PARA USO EM BATERIAS BIOCOMPATÍVEIS PARA UMA LENTE DE CONTATO (51) Int. CL: H01M 10/04; H01M 10/05; H01M 10/054.
(52) CPC: H01M 10/04; H01M 10/0436; H01M 10/05; H01M 10/054.
(30) Prioridade Unionista: 26/04/2017 US 15/497,692.
(71) Depositante(es): JOHNSON & JOHNSON VISION CARE, INC..
(72) lnventor(es): FREDERICK A. FLITSCH; JORGE GONZALEZ; KATHERINE HARDY; EDWARD R. KERNICK; DANIEL B. OTTS; RANDALL B. PUGH; JAMES DANIEL RIALL; ADAM TONER.
(57) Resumo: 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 energização biocompatíveis envolvem formar cavidades que compreendem química de catodo ativo. Os elementos ativos do catodo e do anodo são vedados com um material biocompativel. Em alguns exemplos, um campo de uso para os métodos e aparelhos podem incluir qualquer dispositivo biocompativel ou produto que exige elementos de energização.
-WS
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Figure BR102018008316A2_D0001
Figure BR102018008316A2_D0002
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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÉTODOS PARA FABRICAÇÃO DE PASTA FLUIDA PARA CATODO BIOCOMPATÍVEL PARA USO EM BATERIAS BIOCOMPATÍVEIS PARA UMA LENTE DE CONTATO.
REFERÊNCIA REMISSIVA A PEDIDOS RELACIONADOS [001] Este pedido de patente é uma continuação em parte do pedido de patente US n°de série 14/804.606 depositado em 21 de julho de 2015 que reivindica o benefício do pedido provisório US n° 62/040.178 depositado em 21 de agosto de 2014, e é uma continuação em arte do pedido de patente US n°de série 13/196.210 depositado em 2 de agosto de 2011. Os conteúdos de cada um dos quais são considerados e incorporados na presente invenção.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
1. Campo da Invenção [002] São descritos métodos para fabricação de pasta fluida para catodo 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 catodo biocompatível 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 sua funcionalidade começaram a se desenvolver rapidamente. Esses dispositivos médicos podem incluir, por exemplo, marca-passos implantáveis, pílulas eletrônicas para monitorar e/ou testar uma função biológica, dispositivos cirúrgicos com componentes ativos, lentes de contato, bombas de infusão e neuroestimuladores. A funcionalidade acrescentada e um aumento no desempenho a muitos dos dispositivos médicos
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2/86 supracitados foram desenvolvidos e teorizados. Entretanto, para alcançar a funcionalidade adicionada teorizada, muitos desses dispositivos agora exigem meios de energização próprios que são compatíveis com as exigências de tamanho e formato destes 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 biocompatíveis e/ou implantáveis. Entretanto, tais componentes semicondutores exigem energia e, portanto, elementos de energização também deveríam ser, de preferência, incluídos em tais dispositivos biocompatíveis. 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 catodo da bateria. A função das baterias pode depender criticamente do projeto da estrutura, dos materiais e processos relacionados à formação do catodo da bateria. Além disso, em alguns exemplos, a restrição dos materiais do catodo da bateria pode ser um aspecto importante da biocompatibilidade.
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3/86 [006] A pasta fluida para catodo pode ser um componente da bateria biocompatível. A escolha da pasta fluida para catodo 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 catodo pode exigir experiência nas áreas de síntese de partículas; dispersão, mistura e filtração; eletroquímica, 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 catodo todos os dias e fornecer a pasta fluida para fabricação de alto volume. Além disso, ao projetar os elementos de bateria e os sistemas de produção utilizados para torná-los fontes de energia biocompatíveis para dispositivos oftálmicos, conhecimento em oftálmica e em dispositivos oftálmicos pode ser importante para o perfil de segurança dos dispositivos biocompatíveis formados com o uso da pasta fluida para catodo. Portanto, existe uma necessidade de exemplos novos para fabricar pequenos catodos biocompatíveis para uso em elementos de energização biocompatíveis.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO [007] Um aspecto geral da presente invenção inclui um métodos para fabricação de pasta fluida para catodo para uso em bateria biocompatível. 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 catodo. 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 catodo. Finalmente, distribuir a mistura de pasta fluida para catodo na cavidade da estrutura laminar para formar um catodo biocompatível para uso em uma bateria biocompatível.
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4/86 [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 catodo após filtragem da mistura de pasta fluida para catodo. Método pode também incluir a secagem da mistura de pasta fluida para catodo. 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 aglutinante 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 politetrafluoroetileno (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 catodo biocompatível para uso em bateria biocompatível incluindo as etapas de: obtenção de tolueno, dióxido de manganês, negro de fumo e poli-isobutileno. O método pode incluir tamPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 13/306
5/86 bém 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 prémistura de fase líquida em uma mistura de pasta fluida para catodo, filtrando então a mistura de pasta fluida para catodo. O método pode incluir também o armazenamento da mistura de pasta fluida para catodo e, então, a recirculação da mistura de pasta fluida para catodo. 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 catodo armazenada e distribuindo então a mistura de pasta fluida para catodo filtrada na cavidade da estrutura laminar, seguida da secagem da mistura de pasta fluida para catodo para formar um catodo biocompativel para uso em bateria biocompativel.
[0011] Um aspecto geral da presente invenção inclui um método para fabricação de pasta fluida para catodo para uso em dispositivo biomédico incluindo as etapas de: misturar uma ou mais de uma prémistura de fase líquida com uma ou mais de uma pré-mistura de fase sólida em uma mistura de pasta fluida para catodo; obter uma estrutura laminar onde a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade, e filtrar a mistura de pasta fluida para catodo. O método pode incluir também distribuir a mistura de pasta fluida para catodo na cavidade da estrutura laminar formando a pasta fluida para catodo para uso em dispositivo biomédico, sendo que o dispositivo biomédico inclui um elemento de inserção. O dispositivo de elemento de
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6/86 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 anodo, um separador, uma estrutura laminar (sendo que pelo menos uma camada da estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade). O método pode incluir também a pasta fluida para catodo sendo que pelo menos um tamanho médio molecular de um componente da pasta fluida para catodo é reduzido no tamanho de partícula pela moagem daquele componente. O método pode incluir também a pasta fluida para catodo 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 bateria biocompatível, onde o circuito fornece o sinal de tensão de controle. O método pode incluir um dispositivo biomédico que é uma lente de contato.
[0012] De acordo com um aspecto, a presente invenção é direcionada a um método para fabricação de uma bateria biocompatível para uso em uma lente de contato. Este método compreende 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 catodo; filtrar a mistura de pasta fluida para catodo, sendo que a filtragem remove partículas da pasta fluida para catodo que podem causar enchimento insuficiente de um núcleo laminado da bateria biocompatível; distribuir a mistura de pasta fluida para catodo em um catodo biocompatível para uso em uma bateria biocompatível, sendo que a filtragem ocorre antes da distribuição da pasta fluida para catodo; vedar o núcleo laminado para biocompatibilidade; e inserir a bateria biocompatível em uma lente de contato, sendo que a filtragem da mistura de pasta fluida para catodo suporta a formação da bateria bioPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 15/306
7/86 compatível em uma forma suficientemente pequena para se encaixar na lente de contato.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0013] As Figuras 1A a 1D ilustram aspectos exemplares de elementos de energização biocompatíveis em conjunto com a aplicação exemplar das lentes de contato.
[0014] A Figura 2 ilustra o tamanho e forma exemplares de células individuais de um design exemplar da bateria.
[0015] A Figura 3A ilustra um primeiro elemento de energização biocompatível embalado independente com conexões exemplares de anodo e catodo.
[0016] A Figura 3B ilustra um segundo elemento de energização biocompatível embalado independente com conexões exemplares de anodo e catodo.
[0017] As Figuras 4A a 4N ilustram etapas de método exemplificadoras para a formação de elementos de energização biocompatíveis para dispositivos biomédicos.
[0018] A Figura 5 ilustra um elemento de energização biocompatível completamente formado exemplar.
[0019] As Figuras 6A-6F ilustram etapas do método exemplares para a formação estrutural de elementos de energização biocompatíveis.
[0020] As Figuras 7A a 7F ilustram etapas de método exemplificadoras para formação estrutural de elementos de energização biocompatíveis utilizando um método de galvanoplastia alternada.
[0021] As Figuras 8A a 8H ilustram etapas de método exemplificadoras para a formação de elementos de energização biocompatíveis com separador de hidrogel para dispositivos biomédicos.
[0022] As Figuras 9A a C ilustram etapas de métodos exemplificadores para a formação estrutural de elementos de energização bioPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 16/306
8/86 compatíveis utilizando exemplos processamento de hidrogel alternativos.
[0023] As Figuras 10A a 10F ilustram depósito otimizado e não otimizado de uma mistura de catodo em uma cavidade.
[0024] A Figura 11 ilustra a aglomeração de uma mistura de catodo dentro de uma cavidade.
[0025] A Figura 12 ilustra etapas de métodos exemplificadores para fabricação de pasta fluida para catodo para uso em baterias biocompatíveis.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0026] Métodos para fabricação de pasta fluida para catodo biocompatível para uso em baterias biocompatíveis são revelados neste pedido. Nas seções a seguir, as descrições detalhadas de vários exemplos são descritas. As descrições de exemplos são modalidades exemplificadoras apenas, e várias modificações e alterações podem ser evidentes aos versados na técnica. Portanto, as modalidades exemplificadoras não limitam o escopo do presente pedido. As misturas de catodo, 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 [0027] Na descrição e nas reivindicações abaixo, vários termos podem ser usados. As seguintes definições se aplicarão a eles:
[0028] Anodo, 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 anodo para, por exemplo, um circuito elétrico.
[0029] Ligante, como usado aqui, refere-se a um polímero que é
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9/86 capaz de exibir respostas elásticas a deformações mecânicas e que é quimicamente compatível com outros componentes do elemento de energização. Por exemplo, os aglutinantes podem incluir materiais eletroativos, eletrólitos, polímeros, etc.
[0030] Biocompatível, como usado aqui, se refere a um material ou dispositivo que funciona com uma resposta do hospedeiro apropriada em uma aplicação específica. Por exemplo, um dispositivo biocompatível não tem efeitos tóxicos ou lesivos em sistemas biológicos.
[0031] Catodo, para uso na presente invenção, se refere 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.
[0032] Revestimento, para uso na presente invenção, se refere a um depósito de material em formas finas. Em alguns usos, o termo se referirá a um depósito delgado 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 delgados em regiões menores da superfície.
[0033] Eletrodo, como usado aqui, pode se referir a um transdutor de energia na fonte de energia. Por exemplo, pode incluir um ou ambos dentre anodo e catodo.
[0034] Energizado, para uso na presente invenção, se refere ao estado de se ter a capacidade de abastecer corrente elétrica ou ter energia elétrica armazenada em seu interior.
[0035] Energia, para uso na presente invenção, refere-se à capacidade de um sistema físico para realizar trabalho. Muitos usos dos elementos de energização podem se referir à capacidade de executar ações elétricas.
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10/86 [0036] Fonte de energia ou elemento de energização ou dispositivo de energização, para uso na presente invenção, se refere a qualquer dispositivo ou camada que tenha a capacidade 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 a partir de química da célula de tipo alcalina, e podem ser baterias de estado sólido ou baterias de célula molhada.
[0037] Cargas, como usado aqui, referem-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.
[0038] Funcionalizado, como usado aqui, refere-se a tornar uma camada ou dispositivo capaz de executar uma função que inclui, por exemplo, energização, ativação e/ou controle.
[0039] Molde, como usado aqui, 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 peças de molde que, quando opostas uma à outra, definem a estrutura de um objeto tridimensional.
[0040] Potência, conforme usado no presente documento, referese ao trabalho realizado ou à energia transferida por unidade de tempo.
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11/86 [0041] Recarregável ou Re-energizável, como usado na presente invenção, refere-se à capacidade de restauração para um estado com maior capacidade de realização de trabalho. Muitos usos podem relacionar a capacidade de restauração com a habilidade da corrente elétrica de fluir a uma certa taxa por certos períodos de tempo restabelecidos.
[0042] Re-energizar ou recarregar, como usado aqui, refere-se à restauração a um estado com capacidade maior de realizar trabalho. Muitos usos podem estar relacionados à restauração da capacidade de fluxo de corrente elétrica de um dispositivo, a uma certa taxa durante um determinado período de tempo restabelecido.
[0043] Liberado, como usado aqui e algumas vezes chamado de liberado de um molde, significa que um objeto tridimensional é completamente separado do molde ou apenas fixado de maneira frouxa ao molde, de modo que possa ser removido com agitação leve.
[0044] Empilhada, para uso na presente invenção, significa que pelo menos duas camadas de componente são colocadas em proximidade uma da 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, que pode servir para a adesão ou outras funções, pode residir entre as duas camadas que estão em contato uma com a outra através do dito revestimento.
[0045] O termo trilhas, como usado aqui, se refere a componentes de elementos de energização capazes de conectar os componentes do circuito. Por exemplo, trilhas de circuito podem incluir cobre ou ouro quando o substrato é uma placa de circuito impresso e podem, tipicamente, ser de cobre, ouro ou um filme impresso em um circuito flexível. Um tipo especial de trilha é o coletor de corrente. Os coletores de corrente são traços com compatibilidade eletroquímica que torPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 20/306
12/86 nam os coletores de corrente adequados para uso na condução de elétrons para e a partir de um anodo ou um catodo na presença de eletrólito.
[0046] Os métodos e o aparelho apresentados aqui se relacionam à formação de elementos de energização biocompatíveis para inclusão dentro ou sobre dispositivos biocompatíveis planos ou tridimensionais. Uma classe particular de elementos de energização pode ser constituída por baterias que são fabricadas em camadas. As camadas também podem ser classificadas como camadas de laminado. Uma batería formada dessa forma pode ser classificada como uma batería laminar.
[0047] Pode haver outros exemplos de como montar e configurar as baterias de acordo com a presente invenção, e alguns podem ser descritos nas próximas seções. Entretanto, para muitos destes exemplos, há parâmetros e características selecionadas das baterías que podem ser descritos independentemente. Nas seções a seguir, algumas características e parâmetros serão analisados.
Construção de um dispositivo médico exemplificador com elementos de energização biocompatíveis [0048] 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. Referindo-se à Figura 1A, um exemplo desse inserto de lente de contato pode ser retratado como um inserto de lente de contato 100. Na inserção da lente de contato 100, pode haver um elemento eletroativo 120 que pode acomodar as mudanças das características de foco em resposta às tensões de controle. Um circuito 105, para fornecer estes sinais de tensão de controle, bem como para fornecer outras funções tais como detecção do ambiente de controle para sinais de controle externos, pode ser energizado por um elemento de batería biocompatível 110.
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Conforme representado na Figura 1A, o elemento de bateria 110 pode ser encontrado como múltiplas peças principais, neste caso três peças, e pode incluir as várias configurações de elementos de química da bateria como 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 sob a forma de um circuito integrado, pode estar conectado elétrica e fisicamente ao substrato 111 e a seus recursos de interconexão 125.
[0049] Com referência à figura 1B, um alívio em seção transversal de uma lente de contato 150 pode compreender a inserção da lente de contato 100 e seus componentes discutidos. A inserção da lente de contato 100 pode estar encapsulada em uma saia de hidrogel da lente de contato 155 que pode encapsular a inserção da lente de contato 100 e fornecer uma interface confortável da lente de contato 150 ao olho de um usuário.
[0050] Em referência a conceitos da presente invenção, os elementos de bateria podem ser formados de maneira bidimensional, conforme representado na figura 1C. Nesta descrição pode haver duas regiões principais de células da batería nas regiões do componente de bateria 165 e do segundo componente de bateria na região do elemento de química da bateria 160. Os elementos de bateria, que são mostrados em forma plana na figura 1C, podem conectar-se 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 conectar ao elemento de bateria em um contato elétrico 161 e um contato físico 162. A estrutura plana pode ser dobrada para formar uma estrutura cônica tridimensional, como foi descrito em relação à presenPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 22/306
14/86 te invenção. Neste processo, um segundo contato elétrico 166 e um segundo contato físico 164 podem ser utilizados 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 encontrados, e a ilustração pode ser vista como uma vista tridimensional da estrutura resultante. Esta estrutura pode incluir os componentes modulares de bateria e elétrico que serão incorporados com uma inserção de lente dentro de um dispositivo biocompatível. Esquemas de bateria segmentada [0051] Com referência à figura 2, um exemplo de diferentes tipos de esquemas de bateria segmentada é mostrado em relação a um elemento de bateria exemplificador para um exemplo do tipo de lente de contato. Os componentes segmentados podem ter forma relativamente circular 271, forma quadrada 272 ou forma retangular. Nos exemplos em forma retangular, os retângulos podem ser formas retangulares pequenas 273, formas retangulares maiores 274, ou formas retangulares ainda maiores 275.
Formatos personalizados dos elementos de bateria plana [0052] Em alguns exemplos de baterias biocompatíveis, as baterias podem ser formadas como elementos planos. Com referência à Figura 3A, um exemplo de um contorno retangular 310 do elemento de bateria pode ser descrito com uma conexão do anodo 311 e uma conexão de catodo 312. Com referência à Figura 3B, um exemplo de um contorno retangular 330 do elemento de bateria pode ser descrito com uma conexão do anodo 331 e uma conexão de catodo 332.
[0053] Em alguns exemplos de baterias em formato plano, os contornos da forma da bateria podem ser dimensionalmente e geometricamente configurados para encaixar em produtos personalizados.
Além dos exemplos com contornos retangulares ou circulares, contorPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 23/306
15/86 nos personalizados de formato livre ou forma livre podem ser formados, podendo permitir que a configuração da bateria seja otimizada para encaixar dentro de um dado produto.
[0054] No caso do dispositivo biomédico exemplificador de uma óptica variável, um exemplo de forma livre de um contorno plano pode ter forma arqueada. A forma livre pode ser de tal geometria que, quando formada em um formato tridimensional, pode assumir a forma de uma saia cônica e anular que encaixa dentro das restrições de uma lente de contato. Pode ser claro que geometrias benéficas similares podem ser formadas em casos nos quais os dispositivos médicos têm requisitos restritivos de forma em 2D ou 3D.
Aspectos de biocompatibilidade de baterias [0055] Como um exemplo, as baterias de acordo com a presente invenção podem ter aspectos importantes referentes à segurança e biocompatibilidade. Em alguns exemplos, baterias para dispositivos biomédicos podem precisar atender aos requisitos acima e além daqueles relativos a cenários típicos de uso. Em alguns exemplos, os aspectos de projeto podem ser considerados relacionados a eventos estressantes. Por exemplo, a segurança de uma lente de contato eletrônica pode precisar ser considerada quando um usuário quebra a lente durante a inserção ou remoção. Em um outro exemplo, aspectos de design podem considerar o potencial de um usuário ser atingido no olho por um objeto estranho. Ainda outros exemplos de condições de tensão que podem ser consideradas ao se desenvolver parâmetros e restrições de design podem se referir ao potencial de um usuário usar lentes em ambientes desafiadores, como o ambiente subaquático ou o ambiente de altitude elevada, como exemplos não limitadores.
[0056] A segurança de tal dispositivo pode ser influenciada pelos materiais com ou dos quais o dispositivo é formado, pelas quantidades destes materiais empregadas na fabricação do dispositivo, e também
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16/86 pela embalagem aplicada para separar os dispositivos do ambiente circundante ou interno em relação ao corpo. Em um exemplo, marcapassos podem ser um tipo típico de dispositivo biomédico que pode incluir uma batería e que pode ser implantando em um usuário por um período de tempo estendido. Consequentemente, em alguns exemplos, tais marca-passos podem, tipicamente, ser embalados com invólucros de titânio herméticos e soldados, ou, em outros exemplos, múltiplas camadas de encapsulação. Dispositivos biomédicos energizados emergentes podem apresentar novos desafios em relação à embalagem, especificamente à embalagem de bateria. Estes novos dispositivos podem ser muito menores que os dispositivos biomédicos existentes, por exemplo, uma lente de contato eletrônica ou câmera de pílula pode ser significativamente menor que um marca-passo. Nestes exemplos, o volume e a área disponível para embalagem podem ser muito reduzidos.
Requisitos elétricos de microbaterias [0057] Outra área para considerações de design pode se referir a requisitos elétricos do dispositivo, que podem ser fornecidos pela bateria. A fim de funcionar como uma fonte de energia para um dispositivo médico, uma bateria apropriada pode precisar atender aos requisitos elétricos totais do sistema quando este estiver operando em um modo não conectado ou não externamente energizado. Um campo emergente de dispositivos biomédicos não conectados ou não externamente energizados pode incluir, por exemplo, lentes de contato de correção de visão, dispositivos de monitoramento de saúde, câmeras de pílula e dispositivos inovadores. Desenvolvimentos recentes na tecnologia de circuito integrado (Cl) podem permitir a operação elétrica significativa em níveis de corrente muito baixos, por exemplo, picoamps de corrente no modo de espera e microamps da corrente operacional. Os circuitos integrados podem também permitir dispositivos muito pequenos.
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17/86 [0058] Microbaterias para aplicações biomédicas podem ser necessárias para que muitos requisitos desafiadores simultâneos sejam cumpridos. Por exemplo, a microbateria pode ser necessária para que se tenha a capacidade de administrar uma tensão operacional adequada a um circuito elétrico incorporado. Esta 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 desejado do dispositivo.
[0059] Com relação ao processo de Cl, os nós podem tipicamente ser diferenciados pela dimensão mínima de um transistor, como o assim chamado canal do transistor. Esta característica física, juntamente com outros parâmetros da fabricação de Cl, como a espessura do óxido, pode ser associada a um padrão de classificação resultante para tensões de ligação ou limite dos transistores de efeito de campo (FET) fabricados no dado nó do processo. Por exemplo, em um nó com uma dimensão mínima de 0,5 mícrons, pode ser comum encontrar FETs com tensões de ligação de 5,0 V. Entretanto, com uma dimensão mínima 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 em certas faixas de tensão. Os projetistas escolheram um nó do processo de Cl com base em vários fatores, incluindo a densidade dos dispositivos digitais, dispositivos de sinal misto analógico/digital, corrente de fuga, camadas de fiação e disponibilidade de dispositivos especiais, como FETs de alta tensão. Dados estes aspectos paramétricos dos componentes elétricos, que podem consumir energia de uma microbateria, podem ser importantes que a fonte de energia da microbateria seja compatível com os requisitos do nó do processo e design do Cl escolhidos, especialmente em termos de tenPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 26/306
18/86 são e corrente disponíveis.
[0060] Em alguns exemplos, um circuito elétrico energizado por uma microbateria pode conectar a um outro dispositivo. Em exemplos não limitadores, o circuito elétrico energizado por microbateria pode conectar a um atuador ou um transdutor. Dependendo da aplicação, estes podem incluir um diodo emissor de luz (LED), um sensor, uma bomba do sistema micro-eletromecânico (MEMS), ou numerosos outros dispositivos deste tipo. Em alguns exemplos, tais dispositivos conectados podem exigir condições de tensão operacional mais altas que os nós de processo de Cl comuns. Por exemplo, uma lente de foco variável pode exibir 35 V para ativar. A tensão operacional fornecida pela bateria pode, então, ser uma consideração crítica ao se projetar tal sistema. Em alguns exemplos deste tipo de consideração, a eficiência de um acionador de lente para produzir 35 V a partir de uma bateria de 1 V pode ser significativamente menor que podería ser ao operar a partir de uma bateria de 2 V. Outros requisitos, como tamanho real do processador, podem ser dramaticamente diferentes considerando-se também os parâmetros de funcionamento da microbateria.
[0061] As células de bateria individuais podem ser tipicamente classificadas com circuito aberto, carregada e tensão de corte. A tensão de circuito aberto é o potencial produzido pela célula de bateria com infinita resistência de carga. A tensão na condição de carga é o potencial produzido pela célula com uma impedância de carga adequada, e tipicamente também especificada, colocada nos 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 da qual a bateria não deveria ser descarregada, de modo a 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, e não apenas
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19/86 pela 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 design da célula da microbateria pode depender de outros fatores da química da célula empregada. Uma química da célula diferente pode, assim, ter diferentes tensões de célula.
[0062] Células podem ser conectadas em série para aumentar a tensão; entretanto, essa combinação pode aumentar o tamanho, a resistência interna ou a complexidade de bateria. Células podem também ser combinadas em configurações paralelas para diminuir a resistência e aumentar a capacidade; entretanto, tal combinação pode causar um conflito entre tamanho e tempo de vida útil.
[0063] Capacidade da bateria pode ser a habilidade de uma bateria fornecer corrente ou fazer o trabalho por um período de tempo. A capacidade da bateria pode tipicamente ser especificada em unidades como microampère-hora. Uma bateria que pode fornecer 1 microampère de corrente por 1 hora tem 1 microampère-hora de capacidade. A capacidade pode ser tipicamente aumentada aumentando a massa (e deste modo o volume) de reagentes dentro de um dispositivo de bateria; entretanto, pode ser observado que dispositivos biomédicos podem ser significativamente contidos em volumes disponíveis. A capacidade da bateria pode também ser influenciada pelo material do eletrodo e do eletrólito.
[0064] Dependendo dos requisitos do circuito ao qual a bateria está conectada, uma bateria pode ser necessária para fornecer corrente em uma faixa de valores. Durante o armazenamento antes do uso ativo, uma corrente de fuga da ordem de picoamps a nanoamps pode fluir através dos circuitos, interconexões e isolantes. Durante a operação ativa, o circuito pode consumir corrente quiescente para os sensoPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 28/306
20/86 res de amostra e temporizadores, e realizar funções de consumo baixo de energia deste tipo. O consumo de corrente quiescente pode ser da ordem de nanoamps a milliamps. O circuito pode também ter demandas de corrente de pico ainda mais elevadas, por exemplo, durante a gravação de memória flash ou a comunicação por radiofrequência (RF). Esta corrente de pico pode estender-se até as dezenas de miliampères ou mais. A resistência e impedância de um dispositivo de microbateria podem também ser importantes para as considerações do design.
[0065] A vida útil tipicamente se refere ao período de tempo que uma bateria pode sobreviver em armazenamento ainda mantendo parâmetros de funcionamento úteis. A vida útil pode ser particularmente importante para dispositivos biomédicos por vários motivos. Dispositivos eletrônicos podem deslocar dispositivos não energizados, como, por exemplo, pode ser o caso da introdução de uma lente de contato eletrônica. Produtos nestes espaços de mercado existentes podem ter requisitos de vida útil estabelecidos, por exemplo, três anos, devido aos requisitos de cliente, da cadeia de suprimentos e outros. Pode ser tipicamente desejável que tais especificações não sejam alteradas para novos produtos. Os requisitos de vida útil podem também ser definidos pelos métodos de distribuição, inventário e uso de um dispositivo incluindo uma microbateria. Consequentemente, as microbaterias para os dispositivos biomédicos podem ter requisitos específicos de vida útil, que podem ser, por exemplo, medidas em número de anos.
[0066] Em alguns exemplos, os elementos de energização biocompatíveis tridimensionais podem ser recarregáveis. Por exemplo, uma bobina indutiva também pode ser fabricada na superfície tridimensional. A bobina indutiva podería, então, ser energizada com uma base de radiofrequência (RF). A bobina indutiva pode ser conectada ao elemento de energização biocompatível tridimensional para recarPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 29/306
21/86 regar 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 biocompativel tridimensional. Quando expostos à luz ou fótons, os fotovoltaicos produzirão elétrons para recarregar o elemento de energização.
[0067] Em alguns exemplos, uma bateria pode operar para fornecer uma energia elétrica para um sistema elétrico. Nestes 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 ser tornar progressivamente mais desafiadoras em microbaterias biomédicas devido a vários fatores. Em alguns exemplos, os dispositivos biomédicos energizados podem ser muito pequenos, proporcionando, assim, área e volume limitados para interconexões. As restrições de tamanho e de área podem afetar a resistência elétrica e a confiabilidade das interconexões.
[0068] Em outros aspectos, uma bateria pode conter um eletrólito líquido que podería ferver em temperaturas altas. Essa restrição pode competir diretamente com o desejo de usar uma interconexão de solda que pode, por exemplo, requerer temperaturas relativamente altas como 250 graus Celsius para fundir. Contudo, em alguns exemplos, a química da bateria, incluindo o eletrólito, e a fonte de calor usada para formar interconexões baseadas em solda, podem ser isoladas espacialmente uma da outra. Nos casos de dispositivos biomédicos emergentes, o tamanho pequeno pode impedir a separação entre o eletrólito e as juntas de solda a uma distância suficiente para reduzir a condução de calor.
Interconexões [0069] Interconexões podem permitir que corrente flua para e da
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22/86 bateria em conexão com um circuito externo. Estas interconexões podem interfacear com os ambientes dentro e fora da bateria, e podem cruzar o limite ou vedação entre estes ambientes. Estas interconexões podem ser consideradas como trilhas, fazendo conexões com um circuito externo, passando através da vedação da bateria e, então, conectando-se aos coletores de corrente dentro da bateria. Assim, estas interconexões podem ter vários requisitos. Fora da bateria, as interconexões podem lembrar trilhas de circuito impresso típicas. Elas podem ser soldadas ou, de outra forma, conectadas a outras trilhas. Em um exemplo onde a bateria é um elemento físico separado de uma placa de circuito compreendendo um circuito integrado, a interconexão da bateria pode permitir a conexão ao circuito externo. Esta conexão pode ser formada com solda, fita condutiva, epóxi ou tinta condutiva, ou outros meios. As trilhas de interconexão podem precisar sobreviver no ambiente fora da bateria, por exemplo, sem que haja corrosão na presença de oxigênio.
[0070] Conforme uma interconexão passa através da vedação da bateria, pode ser de crítica importância que a interconexão coexista com a vedação e permite a vedação. Adesão pode ser necessária entre a vedação e a interconexão em adição à 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 contidos na bateria. As interconexões, que podem tipicamente ser metálicas, podem ser conhecidas como pontos de falha na embalagem da bateria. O potencial elétrico e/ou o fluxo da corrente pode aumentar a tendência do eletrólito se deformar ao longo da interconexão. Consequentemente, uma interconexão pode precisar ser construída para manter a integridade da vedação.
[0071] Dentro da bateria, as interconexões podem interfacear com os coletores de corrente ou podem de fato formar os coletores de corPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 31/306
23/86 rente. Nesse sentido, a interconexão pode precisar atender aos requisitos dos coletores de corrente, conforme descrito aqui, ou pode precisar formar uma conexão elétrica com estes coletores de corrente.
[0072] Uma classe de interconexões e coletores de corrente candidatos é a de folhas metálicas. Estas folhas metálicas estão disponíveis em espessuras de 25 mícrons ou menos, o que as torna adequadas para baterias muito finas. Estas folhas metálicas podem também ser adquiridas com baixo grau de aspereza de superfície e contaminação, dois fatores que podem ser críticos para o desempenho da bateria. As folhas metálicas podem ser de zinco, níquel, latão, cobre, titânio, outros metais e várias ligas.
Eletrólito [0073] Um eletrólito é um componente de uma bateria que facilita a ocorrência de uma reação química entre os materiais químicos dos eletrodos. Eletrólitos típicos podem ser eletroquimicamente ativos em relação aos eletrodos, por exemplo, permitindo que as reações de oxidação e redução ocorram. Em alguns exemplos, esta importante atividade eletroquímica pode tornar a criação de dispositivos que sejam biocompatíveis um desafio. Por exemplo, hidróxido de potássio (KOH) pode ser um eletrólito comumente 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, podem ser empregados eletrólitos que podem ser menos eletroquimicamente ativos; entretanto, esses materiais tipicamente podem resultar no desempenho elétrico reduzido, como tensão de célula reduzida e resistência de célula aumentada. Consequentemente, o eletrólito pode constituir um aspecto principal do design e engenharia de uma microbateria biomédica. Pode ser desejável que o eletrólito seja suficientemente ativo para cumprir os requisitos elétricos enquanto também é relativamente seguro para uso dentro ou sobre o corpo.
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24/86 [0074] Vários cenários de teste podem ser usados para determinar a segurança dos componentes de bateria, em particular eletrólitos, em relação a células vivas. Estes resultados, em conjunto com os testes da embalagem da bateria, podem permitir o design de engenharia de um sistema de bateria que pode atender aos requisitos. Por exemplo, ao desenvolver uma lente de contato energizada, os eletrólitos da bateria podem ser testados em um modelo de célula córnea humana. Estes testes podem incluir experimentos relativos à concentração do eletrólito, ao tempo de exposição e aos aditivos. Os resultados de tais testes podem indicar o metabolismo da célula e outros aspectos fisiológicos. Os testes podem ainda incluir teste in-vivo em animais e humanos.
[0075] Eletrólitos como usado aqui podem incluir cloreto de zinco, acetato de zinco, acetato de amônio e cloreto de amônio em concentrações mássica de aproximadamente 0,1 por cento a 50 por cento e, em um exemplo não limitante, pode ser de aproximadamente 25 por cento. As concentrações específicas podem depender da atividade eletroquímica, do desempenho da bateria, da vida útil, da integridade de vedação e da biocompatibilidade.
[0076] Em alguns exemplos, várias classes de aditivos podem ser usadas na composição de um sistema de bateria. Aditivos podem ser misturados à base de eletrólito para alterar suas características. Por exemplo, agentes gelificantes como ágar podem reduzir a capacidade do eletrólito de vazar da embalagem, aumentando assim a segurança. Inibidores de corrosão podem ser adicionados ao eletrólito, por exemplo, para melhorar a vida útil através da redução da dissolução indesejada do anodo de zinco no eletrólito. Estes inibidores podem afetar positivamente ou adversamente o perfil de segurança da bateria. Agentes umectantes ou tensoativos podem ser adicionados, por exemplo, para permitir que o eletrólito umedeça o separador ou preencha a emPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 33/306
25/86 balagem da bateria. Novamente, estes agentes umectantes podem ser positivos ou negativos em relação à segurança. A adição de tensoativo ao eletrólito pode aumentar a impedância elétrica da célula. Consequentemente, a concentração mais baixa de tensoativo para se atingir o umedecimento desejado ou outras propriedades deve ser utilizada. Tensoativos exemplares podem incluir Triton™ X-100, Triton™ QS44, e Dowfax™ 3B2 em concentrações de 0,01 por cento a 2 por cento.
[0077] Também estão surgindo eletrólitos inovadores que 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.
[0078] Baterias que utilizam eletrólito de água salgada são comumente usadas em células reserva para uso marítimo. Torpedos, boias e luzes de emergência podem utilizar estas baterias. Células reservas são baterias nas quais os materiais ativos, os eletrodos e eletrólitos, permanecem separados até o momento de uso. Por causa desta separação, a auto-descarga das células é muito reduzida, e a vida útil é muito aumentada. Baterias de água salgada podem ser projetadas a partir 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 mar real, por exemplo, água do oceano inundando a bateria após o contato, ou pode ser uma formulação salina especialmente projetada. Este tipo de bateria pode ser particularmente útil em lentes de contato. Um eletrólito salino pode ter biocompatibilidade superior à de eletrólitos clássicos como hidróxido de potássio e cloreto de zinco. 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 tampão. Demonstrou-se esta solução como um eletrólito de bateria em combinação com um
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26/86 anodo de zinco e um catodo de dióxido de manganês. Outras combinações de eletrólito e eletrodo são possíveis. Uma lente de contato usando uma bateria de água salgada pode compreender um eletrólito com base no cloreto de sódio, solução de embalagem, ou mesmo um eletrólito especialmente projetado 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.
[0079] Em adição aos, ou em vez dos, possíveis benefícios para biocompatibilidade obtidos com o uso de um eletrólito mais similar a lágrimas, ou com o uso, de fato, de lágrimas, uma célula reserva pode ser usada para atender aos requisitos de vida útil de um produto de lente de contato. Lentes de contato típicas são especificadas para armazenamento de 3 anos ou mais. Este é um requisito desafiador para uma bateria com uma embalagem fina e pequena. Uma célula reserva para uso em uma lente de contato pode ter um design similar ao mostrado nas figuras 1 e 3, mas o eletrólito pode não ser adicionado no momento da fabricação. O eletrólito pode ser armazenado em uma ampola 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 da embalagem da bateria, uma válvula ou porta pode ser projetada para separar o eletrólito dos eletrodos até o usuário ativar a lente. Após a ativação, talvez através do simples apertar de uma borda da lente de contato (similar à ativação de um bastão fluorescente), pode-se permitir que o eletrólito flua para o interior da bateria e forme um caminho iônico entre os eletrodos. Isso pode envolver uma transferência única do eletrólito ou pode expor a bateria para difusão continuada. [0080] Alguns sistemas de bateria podem usar ou consumir eletrólito durante a reação química. Consequentemente, pode ser necessário projetar a inclusão de um certo volume de eletrólito no sistema emPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 35/306
27/86 balado. Este eletrólito pode ser armazenado em várias localizações, incluindo o separador ou um reservatório.
[0081] Em alguns exemplos, um design de um sistema de bateria pode incluir um componente ou componentes que podem funcionar para limitar a capacidade de descarga do sistema de bateria. Por exemplo, pode ser desejável projetar os materiais e quantidades de materiais do anodo, catodo, ou eletrólito de modo que um deles possa ser esgotado primeiro durante o curso das reações no sistema de bateria. Em tal exemplo, o esgotamento de um dentre anodo, catodo, ou eletrólito pode reduzir o potencial de ocorrência de descargas problemáticas e reações colaterais em tensões de descarga inferiores. Estas reações problemáticas podem produzir, por exemplo, gás excessivo ou subprodutos que poderíam ser prejudiciais à segurança e outros fatores.
Componentes da bateria modular [0082] Em alguns exemplos, um componente de bateria modular pode ser formado de acordo com alguns aspectos e exemplos da presente invenção. Nestes exemplos, o conjunto da bateria modular pode ser um componente separado de outras partes do dispositivo biomédico. No exemplo de um dispositivo de lente de contato oftálmica, um design do tipo pode incluir uma bateria modular que é separada do resto de um inserto de mídia. Pode haver várias vantagens na formação de um componente de bateria modular. Por exemplo, no exemplo da lente de contato, um componente de bateria modular pode ser formado em um processo separado e não integrado que pode aliviar a necessidade de manusear componentes plásticos ópticos rígidos tridimensionalmente formados. Além disso, as fontes de fabricação podem ser mais flexíveis e podem operar em um modo mais paralelo à fabricação de outros componentes no dispositivo biomédico. Além disso, a fabricação dos componentes de bateria modular pode ser desaPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 36/306
28/86 copiada das características de dispositivos em formato tridimensional (3D). Por exemplo, em aplicações que exigem formas finais tridimensionais, um sistema de batería modular pode ser fabricado em uma perspectiva plana ou aproximadamente bidimensional (2D), e então moldado na forma tridimensional correta. Um componente de batería modular pode ser testado independentemente do resto do dispositivo biomédico, e a perda de rendimento devido a componentes de batería pode ser resolvida antes da montagem. O componente da batería modular resultante pode ser utilizado em vários construtos de inserção de meio que não têm uma região rígida adequada sobre a qual os componentes de batería podem ser formados; e, em ainda outro exemplo, o uso dos componentes de batería modular pode facilitar o uso de opções diferentes para as tecnologias de fabricação que seriam de outra forma utilizados, como, por exemplo, uma tecnologia baseada em manta (rolo a rolo), tecnologia baseada em lâmina (lâmina a lâmina), impressão, litografia, e processamento por rodo. Em alguns exemplos de uma batería modular, o aspecto de restrição discreta de tal dispositivo pode resultar em material adicional sendo adicionado ao construto do dispositivo biomédico de modo geral. Tais efeitos podem definir uma restrição para o uso de soluções de batería modular quando parâmetros de espaço disponível exigem espessura ou volume reduzido das soluções.
[0083] Os requisitos de formato da batería podem ser motivados, pelo menos em parte, pela aplicação na qual a batería deverá ser usada. Fatores de forma da batería tradicional podem ser formas cilíndricas ou prismas retangulares, feitos de metal, e podem ser voltados para produtos que exigem grandes quantidades de energia por longas durações. Estes pedidos podem ser grandes o suficiente para compreender baterias de fator de forma grande. Em um outro exemplo, as baterías planas de estado sólido (2D) são prismas retangulares finos,
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29/86 tipicamente formados sobre silício ou vidro inflexível. Estas baterias de estado sólido planas podem ser formadas, em alguns exemplos, através do uso de tecnologias de processamento de pastilha de silício. Em um outro tipo de fator de forma de bateria, baterias de baixo consumo e flexíveis podem ser formadas em um construto de bolsa, usando finas folhas metálicas ou plástico para conter a química da bateria. Estas baterias podem ser feitas planas (2D), e podem ser projetadas para funcionar quando curvadas a uma modesta curvatura fora do plano (3D).
[0084] Em alguns dos exemplos das aplicações de bateria na presente invenção nos quais a bateria pode ser empregada em uma lente óptica variável, o fator de forma pode exigir uma curvatura tridimensional do componente de bateria, sendo que um raio desta curvatura pode ser da ordem de aproximadamente 8,4 mm. A natureza de tal curvatura pode ser considerada relativamente íngreme e para referência pode se aproximar do tipo de curvatura observado em uma ponta de dedo humano. A natureza de uma curvatura íngreme relativa cria aspectos desafiadores para fabricação. Em alguns exemplos da presente invenção, um componente de bateria modular pode ser projetado de modo a poder ser fabricado em uma forma plana bidimensional e então formado em uma forma tridimensional de curvatura relativa alta. Espessura do módulo da bateria [0085] No design de componentes de bateria para aplicações biomédicas, podem ser feitas concessões entre os vários parâmetros para equilibrar requisitos técnicos, de segurança e funcionais. A espessura do componente de bateria pode ser um parâmetro importante e limitador. Por exemplo, em uma aplicação de lente óptica, a capacidade de um dispositivo ser usado confortavelmente por um usuário pode depender criticamente da espessura pelo dispositivo biomédico. Portanto, pode haver aspectos permissivos críticos ao se projetar a batePetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 38/306
30/86 ria buscando resultados mais finos. Em alguns exemplos, a espessura da bateria pode ser determinada pelas espessuras combinadas das espessuras das folhas superior e inferior, lâminas espaçadoras e camada adesiva. Aspectos práticos de fabricação podem motivar 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 eles podem ser especificados com base em considerações técnicas referentes à compatibilidade química, impermeabilidade gasosa / à umidade, acabamento da superfície e compatibilidade com revestimentos que podem ser depositados sobre as camadas de filme.
[0086] Em alguns exemplos, uma espessura desejada ou alvo de um componente de bateria finalizado pode ser uma espessura do componente que é menor que 220 pm. Nestes exemplos, esta espessura desejada pode ser motivada pela geometria tridimensional de um dispositivo de lente oftálmica exemplificador, sendo que o componente de bateria pode precisar ser encaixado dentro do volume disponível definido pelo conforto do usuário final com a forma de uma lente hidrogel, pela biocompatibilidade e pelas restrições de aceitação. Este volume e seu efeito sobre as necessidades de espessura do componente de bateria pode ser uma função da especificação da espessura total do dispositivo, bem como da especificação do dispositivo referente a sua largura, ângulo cônico e diâmetro interno. Uma outra consideração de design importante para o design de componente de bateria resultante pode se referir ao volume disponível para produtos químicos e materiais ativos de bateria em um dado design de componente de bateria com relação à energia química resultante que pode resultar deste design. Esta energia química resultante pode então ser equilibrada para os requisitos elétricos de um dispositivo biomédico funcional em relação à sua vida útil alvo e condições operacionais.
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Flexibilidade do módulo de bateria [0087] Outra dimensão de relevância ao design da bateria e ao design dos dispositivos relacionados que utilizam fontes de energia com base em baterias é a flexibilidade do componente de bateria. Pode haver várias vantagens conferidas por formas de bateria flexível. Por exemplo, um módulo de bateria flexível pode facilitar a capacidade previamente mencionada de se fabricar a forma da 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.
[0088] Em um outro exemplo dos benefícios que podem ser conferidos pela flexibilidade no módulo de bateria, se a bateria e o dispositivo subsequente são flexíveis, então pode haver vantagens referentes ao uso do dispositivo. Em um exemplo, uma forma da lente de contato de um dispositivo biomédico pode ter vantagens em relação à inserção/remoção da lente de contato com base em inserto de mídia, que pode estar mais próxima à inserção/remoção de uma lente de contato de hidrogel não preenchida padrão.
[0089] O número de flexões pode ser importante no projeto da bateria. Por exemplo, uma bateria que pode flexionar apenas uma vez, de uma forma plana para um formato adequado para uma lente de contato, pode ter um design significativamente diferente de uma bateria capaz de múltiplas flexões. A flexão da bateria pode também ir além da capacidade de sobreviver mecanicamente ao evento de flexão. Por exemplo, um eletrodo pode ser fisicamente capaz de flexionar sem quebrar, mas as propriedades mecânicas e eletroquímicas do eletrodo podem ser alternadas pela flexão. As mudanças induzidas pela flexão podem parecer instantaneamente, por exemplo, como mudanças na impedância, ou a flexão pode introduzir mudanças que são
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32/86 apenas evidentes em testes de vida útil a longo prazo.
Largura do módulo de bateria [0090] Pode haver várias aplicações nas quais os elementos de energização biocompatíveis ou baterias da presente invenção podem ser utilizados. Em geral, o requisito de largura da bateria pode ser em grande parte uma função da aplicação na qual ela está aplicada. Em um caso exemplificador, um sistema de bateria de lente de contato pode ter necessidades restritas para a especificação em relação à largura de um componente de bateria modular. Em alguns exemplos de um dispositivo oftálmico onde o dispositivo tem uma função óptica variável energizada por um componente de bateria, a porção óptica variável do dispositivo pode ocupar uma região esférica central de cerca de 7,0 mm em diâmetro. Os elementos de bateria exemplificadores podem ser considerados um objeto tridimensional, que encaixa como uma saia anular cônica ao redor da óptica central e formada em formato de 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 pode ser visada (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 anel.
[0091] A largura da bateria achatada pode ser motivada por duas características do elemento de bateria, os componentes ativos de bateria e largura de vedação. Em alguns exemplos referentes a dispositivos oftálmicos, uma espessura alvo pode estar entre 0,100 mm e 0,500 mm por lado, e os componentes ativos de bateria podem ser visados para ter aproximadamente 0,800 mm de largura. Outros dispositivos biomédicos podem ter restrições de design diferentes, mas os
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33/86 princípios para elementos de bateria plana flexível podem ser aplicados de forma similar.
Cavidades como elementos de design no design do componente de bateria [0092] Em alguns exemplos, elementos de bateria podem ser projetados de modos que segmentam as regiões da química ativa da bateria. Pode haver várias vantagens na divisão dos componentes ativos de bateria em segmentos discretos. Em um exemplo não limitador, a fabricação de elementos discretos e menores pode facilitar a produção dos elementos. A função dos elementos de bateria, 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 em redução na perda de função. Isso pode ser relevante em exemplos nos quais a perda de eletrólito de bateria pode ocorrer. O isolamento de componentes individualizados pode permitir que um defeito que resulte no vazamento de eletrólito para fora das regiões críticas da bateria tenha a perda de função limitada àquele pequeno segmento do elemento de bateria total, enquanto a perda de eletrólito através do defeito poderia esvaziar uma região significativamente maior em baterias configuradas como uma única célula. Células menores podem resultar, de modo geral, em um volume reduzido de químicos ativos de bateria, mas a rede de material ao redor de cada uma das células menores pode resultar em um fortalecimento da estrutura total.
Vedações internas do elemento de bateria [0093] Em alguns exemplos de elementos de bateria para uso em dispositivos biomédicos, a ação química da bateria envolve a química aquosa, onde água ou umidade é um constituinte importante a ser controlado. Assim, pode ser importante incorporar os mecanismos de vedação que retardem ou evitem o trânsito de umidade tanto fora
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34/86 quanto para dentro do corpo da bateria. Barreiras à umidade podem ser projetadas para manter o teor de umidade interna em um nível designado, 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.
[0094] A embalagem pode referir-se ao material principal do invólucro. Em alguns exemplos, a embalagem pode compreender um material a granel. A taxa de transmissão de vapor d'água (WVTR) pode ser um indicador do desempenho, com os padrões ISO e ASTM controlando o procedimento de teste, incluindo as condições ambientais operantes durante o teste. Idealmente, a WVTR para uma boa embalagem da bateria pode ser zero. Materiais exemplificadores com uma WVTR próxima de zero podem ser vidro e laminados metálicos. Plásticos, por outro lado, podem ser inerentemente porosos à umidade e podem variar significativamente se tratando de diferentes tipos de plástico. Materiais projetados, laminados, ou coextrudados podem geralmente ser híbridos dos materiais de embalagem comuns.
[0095] A vedação pode ser a interface entre duas das superfícies de embalagem. A conexão das superfícies de vedação finaliza o invólucro juntamente com a embalagem. Em muitos exemplos, a natureza dos designs de vedação pode torná-los difíceis de caracterizar em relação à WVTR da vedação devido à dificuldade em se realizar medições usando um padrão ISO ou ASTM, por exemplo, o tamanho da amostra ou área superficial podem não ser compatíveis com estes procedimentos. Em alguns exemplos, uma forma prática de testar a integridade de vedação pode ser um teste funcional do design real da vedação, em relação a 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 ou intimidade da vedação com os substratos da embalaPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 43/306
35/86 gem.
[0096] Em alguns exemplos, as vedações podem ser formadas por um processo de soldagem que pode envolver processamento térmico, a laser, por solvente, por fricção, ultrassônico ou de arco. Em outros exemplos, vedações podem ser formadas através do uso de selantes 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, politetrafluoroetileno (PTFE), polipropileno e silícios para mencionar alguns exemplos não limitadores.
[0097] 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 através da determinação de uma quantidade prática de permeabilidade à umidade que pode ser obtida usando um sistema de bateria particular e, então, estimando quando um vazamento de umidade tal pode resultar em uma condição de fim de vida útil para a batería. Por exemplo, se uma batería é armazenada em um ambiente úmido, então a diferença da pressão parcial entre parte interna e externa da bateria será mínima, resultando em uma taxa de perda de umidade reduzida e, assim, a vida da batería pode ser estendida. A mesma batería exemplificadora armazenada em um ambiente particularmente seco e quente pode ter um ciclo de vida significativamente reduzido devido à forte função de acionamento para perda de umidade.
Separadores do elemento de bateria [0098] As baterias do tipo descrito na presente invenção podem utilizar um material separador que fisicamente e eletricamente separa as porções do anodo e coletor de corrente do anodo das porções do catodo e coletor de corrente do catodo. O separador pode ser uma membrana que é permeável a água e componentes de eletrólito disPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 44/306
36/86 solvidos; entretanto, pode ser tipicamente eletricamente não condutivo. Enquanto uma miríade de materiais separadores comercial mente disponíveis pode ser conhecida aos versados na técnica, o fator de forma inovador da presente invenção pode apresentar restrições únicas em relação à tarefa de seleção do separador, processamento e manuseio. [0099] Dado que os designs da presente invenção podem ter perfis ultrafinos, a escolha pode ser limitada aos materiais separadores mais finos tipicamente disponíveis. Por exemplo, separadores de aproximadamente 25 mícrons de espessura podem ser desejáveis. Alguns exemplos que podem ser vantajosos podem ter cerca de 12 mícrons de espessura. Pode haver vários separadores comerciais aceitáveis que incluem membranas separadoras de monocamada de polietileno microporoso microfibrilado e/ou de 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 de tricamada da Celgard M824 PP/PE/PP tendo uma espessura de 12 mícrons. Exemplos alternativos de materiais separadores úteis para exemplos da presente invenção podem incluir membranas separadoras incluindo celulose regenerada (por exemplo, celofane).
[00100] Enquanto membranas separadoras de tricamada de PP/PE/PP podem ter espessura e propriedades mecânicas vantajosas devido ao seu caráter poliolefínico, elas podem também apresentar várias desvantagens que podem ter que ser superadas para torná-las úteis nos exemplos da presente invenção. O estoque de rolo ou lâmina de materiais separadores de tricamada de PP/PE/PP pode ter várias rugas ou outros erros de forma que podem ser prejudiciais às tolerâncias a nível de mícron aplicáveis às baterias aqui descritas. Além disso, os separadores de poliolefina podem precisar ser cortados a tolerâncias ultraprecisas para inclusão nos presentes designs, o que pode
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37/86 implicar o corte a laser como um método exemplificador para formar os coletores de corrente discretos em formas desejáveis com tolerâncias rigorosas. Devido ao caráter poliolefínico destes separadores, certos lasers de corte úteis para micro fabricação podem empregar comprimentos de onda laser, por exemplo, 355 nm, que não são capazes de cortar poliolefinas. As poliolefinas não absorvem consideravelmente a energia laser e são, portanto, não passíveis de ablação. Finalmente, os separadores de poliolefina podem não ser inerentemente umidificáveis nos eletrólitos aquosos usados nas baterias aqui descritas.
[00101] No entanto, pode haver métodos para superar estas limitações inerentes a membranas do tipo poliolefínico. A fim de apresentar uma membrana separadora microporosa a um laser de corte de alta precisão para cortar peças em segmentos de arco ou outros designs vantajosos de separador, a membrana pode precisar ser plana e isenta de rugas. Se estas duas condições não são atendidas, a membrana separadora pode não ser completamente cortada, pois o feixe de corte pode ser inibido como resultado da desfocagem ou da dispersão da energia a laser incidente. Adicionalmente, se a membrana separadora não for plana e isenta 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 mícron e -20 mícrons com relação aos comprimentos e/ou raios característicos. Pode haver vantagens em tolerâncias mais rigorosas de +0 mícron e -10 mícrons e também para tolerâncias de +0 mícron e -5 mícrons. É possível tornar o material de estoque separador plano e isento de rugas através da laminação temporária do material em um veículo de vidro flutuante 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
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38/86 de processamento que pode ser necessária para liberar a membrana separadora de uma camada adesiva. Além disso, em alguns exemplos, observou-se que obter uma membrana separadora plana e isenta de rugas no vidro flutuante usando um líquido é muito mais fácil que utilizar um adesivo. Antes da laminação, pode-se fazer com que a membrana separadora seja isenta de particulados. Isso pode ser obtido pela limpeza ultrassônica da membrana separadora para desalojar qualquer particulado aderente a superfícies. Em alguns exemplos, o manuseio de uma membrana separadora pode ser feito em um ambiente adequado com baixa presença de partículas, como uma capota de fluxo laminar ou uma sala limpa de, pelo menos, classe 10.000. Além disso, o substrato vítreo flutuante pode ser feito para ser isento de particulados através do enxágue com um solvente apropriado, da limpeza ultrassônica e/ou do esfregamento com panos de limpeza de sala limpa.
[00102] 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 vítreo flutuante, requisitos específicos podem ser impostos ao líquido para facilitar o corte a laser subsequente das formas do separador discreto. Um requisito pode ser que o líquido tenha uma tensão superficial baixa o suficiente para penetrar nos poros do material separador, o que pode facilmente ser verificado por inspeção visual. Em alguns exemplos, o material separador passa de uma cor branca para uma aparência translúcida quando o líquido preenche os microporos do material. Pode ser desejável escolher um líquido que possa ser benigno e seguro para trabalhadores que serão expostos às operações de preparação e corte do separador. Pode ser desejável escolher um líquido cuja pressão de vapor possa ser baixa o suficiente para que não ocorra evaporação considerável durante a escala de tempo do processamento (da
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39/86 ordem de 1 dia). Finalmente, em alguns exemplos, o líquido pode ter poder de solvatação suficiente para dissolver os absorvedores UV vantajosos que possam facilitar a operação de corte a laser. Em um exemplo, foi observado que uma solução de 12 por cento (p/p) de absorvedor UV de avobenzona em solvente de benzoato de benzila pode atender aos requisitos previamente mencionados e pode servir para facilitar o corte a laser de separadores de poliolefina com alta precisão e tolerância em curta ordem sem um número excessivo de passadas do feixe de laser de corte. Em alguns exemplos, separadores podem ser cortados com um laser de estado sólido bombeado por diodo de 8 W 355 nm nanossegundos usando esta abordagem, sendo que o laser pode ter configurações para atenuação de baixa energia (por exemplo, 3 por cento de energia), uma velocidade moderada de 1 a 10 mm/s, e apenas 1 a 3 passadas do feixe de laser. Enquanto comprovou-se que esta composição oleosa absorvente UV auxilia eficazmente o processo de laminação e corte, outras formulações oleosas podem ser concebidas pelos versados na técnica e usadas sem limitação.
[00103] Em alguns exemplos, um separador pode ser cortado enquanto fixo em um vidro flutuante. Uma vantagem dos separadores de corte a laser, enquanto fixados em um veículo vítreo flutuante pode ser que uma densidade muito alta de separadores pode ser cortada de uma lâmina de estoque do separador, do mesmo modo que a matriz do semicondutor pode ser disposta densamente em conjunto em uma pastilha de silício. Tal abordagem pode fornecer economia de escala e vantagens de processamento em paralelo inerentes aos processos do semicondutor. Além disso, a geração de membrana separadora excedente pode ser reduzida. Uma vez que os separadores tiverem sido cortados, o fluido oleoso de auxílio do processo pode ser removido por uma série de etapas de extração com solventes miscíveis, a última extração pode ser realizada com um solvente de alta volatilidade, como
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40/86 álcool isopropílico, em alguns exemplos. Separadores discretos, uma vez extraídos, podem ser indefinidamente armazenados em qualquer ambiente adequado com baixa presença de partículas.
[00104] Conforme anteriormente mencionado, as membranas separadores de poliolefina podem ser inerentemente hidrofóbicas e podem precisar ser tornadas úmidas a tensoativos aquosos usados nas baterias da presente invenção. Uma abordagem para tornar as membranas separadores úmidas pode ser tratamento por plasma de oxigênio. Por exemplo, separadores podem ser tratados durante 1 a 5 minutos em 100 por cento de plasma de oxigênio em uma ampla variedade de configurações de energia e taxas de fluxo de oxigênio. Enquanto esta abordagem pode melhorar a umedecibilidade por um tempo, pode ser bem conhecido o fato de que as modificações de superfície de plasma fornecem um efeito temporário que pode não durar tempo o suficiente para efetivar a umidificação robusta de soluções de eletrólito. Uma outra abordagem para melhorar a umedecibilidade das membranas separadores pode ser tratar a superfície incorporando um tensoativo adequado na membrana. Em alguns casos, o tensoativo pode ser usado em conjunto com um revestimento polimérico hidrofílico que permanece dentro dos poros da membrana separadora.
[00105] Uma outra abordagem para fornecer mais permanência à capacidade hidrofílica conferida por um tratamento de plasma oxidativo pode ser o tratamento subsequente com um organossilano hidrofílico adequado. Dessa forma, o plasma de oxigênio pode ser usado para ativar e distribuir grupos funcionais ao longo de toda a área da superfície do separador microporoso. O organossilano pode então ligar covalentemente e/ou aderir não covalentemente à superfície tratada com plasma. Em exemplos usando um organossilano, a porosidade inerente do separador microporoso não pode ser consideravelmente alterada, e a cobertura de superfície de monocamada pode também
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41/86 ser possível e desejada. Os métodos da técnica anterior que incorporam tensoativos em conjunto com revestimentos poliméricos podem exigir controle rigoroso em relação à quantidade real de revestimento aplicado à membrana, e podem então estar sujeitos à variabilidade de processo. Em casos extremos, poros do separador podem ser tornar bloqueados, afetando assim adversamente a utilidade do separador durante a operação da célula eletroquímica. Um organossilano exemplificador útil à presente invenção pode ser (3-aminopropila)trietóxi silano. Outros organossilano hidrofílicos podem ser conhecidos pelos versados na técnica e podem ser usados sem limitação.
[00106] Mais um outro método para tornar as membranas separadores umedecíveis pelo eletrólito aquoso pode ser a incorporação de um tensoativo adequado na formulação de eletrólito. Uma consideração na escolha de tensoativo para tornar as membranas separadores umedecíveis pode ser o efeito que o tensoativo pode ter na atividade de um ou mais eletrodos dentro da célula eletroquímica, por exemplo, aumentando a impedância elétrica da célula. Em alguns casos, tensoativos podem ter propriedades anticorrosão vantajosas, especificamente no caso de anodos de zinco em eletrólitos aquosos. Zinco pode ser um exemplo conhecido por passar por uma reação lenta com água para liberar gás hidrogênio, que pode ser indesejável. Vários tensoativos podem ser conhecidos pelos versados na técnica por limitar as taxas da dita reação a 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 ser necessário na seleção de tipos de tensoativo e níveis de carga apropriados para garantir que a umedecibilidade do separador pode ser obtida sem afetar prejudicialmente o desempenho eletroquímico da célula. Em alguns casos, uma pluralidade de tensoativos pode ser usada, um estando presente para conferir umedecibiliPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 50/306
42/86 dade à membrana separadora, e o outro estando presente para facilitar as propriedades anticorrosão do anodo de zinco. Em um exemplo, nenhum tratamento hidrofílico é feito à membrana separadora, e um tensoativo, ou uma pluralidade de tensoativos, é adicionado à formulação de eletrólito em uma quantidade suficiente para influenciar a umedecibilidade da membrana separadora.
[00107] Separadores discretos podem ser integrados à microbateria laminar pela colocação direta em um meio para armazenamento, incluindo uma cavidade, bolsa ou estrutura projetada dentro do conjunto. Desejavelmente, este meio de armazenamento pode ser formado por uma estrutura laminar tendo um corte, que pode ser um desvio geométrico da forma do separador, que resulta em uma cavidade, bolsa ou estrutura dentro do conjunto. Além disso, o meio de armazenamento pode ter uma saliência ou degrau no qual o separador se apoia durante a montagem. A saliência 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 microbateria laminar exemplificadora.
Adesivo sensível à pressão [00108] 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 comercial mente disponíveis de adesivo sensível à pressão pode existir, estas formulações quase sempre incluem componentes que podem torná-las inadequadas para uso dentro de uma microbateria laminar biocompatível. Exemplos de componentes indesejados nos adesivos sensíveis à pressão podem incluir componentes lixiviáveis de baixa massa molecular, antioxidantes, por exemplo, BHT e/ou MEHQ,
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43/86 óleos plastificantes, impurezas, porções oxidativamente instáveis contendo, por exemplo, ligações químicas insaturadas, solventes residuais e/ou monômeros, fragmentos do iniciador de polimerização, taquificantes polares e similares.
[00109] PSAs adequados podem, por outro lado, exibir as seguintes propriedades. Eles podem poder ser aplicados a componentes laminares, a fim de se obter camadas finas, da ordem de 2 a 20 mícrons. Além disso, eles podem compreender um mínimo de, por exemplo, zero componentes indesejáveis e não biocompatíveis. Adicionalmente, eles podem ter propriedades adesivas e coesivas suficientes para unir os componentes da bateria laminar. E eles podem ser capazes de fluir ao interior dos recursos de escala de mícrons inerentes aos dispositivos da presente construção, e simultaneamente fornecer uma vedação robusta de eletrólito dentro da bateria. Em alguns exemplos de PSAs adequados, os PSAs podem ter uma baixa permeabilidade a vapor d'água a fim de manter uma composição desejável de eletrólito aquoso dentro da bateria, mesmo em casos em que a bateria possa 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. Eles podem ser inertes aos efeitos da imersão em água. PSAs adequados podem ter uma baixa permeabilidade a oxigênio para minimizar a taxa de oxidação direta, que pode ser uma forma de auto-descarga, de anodos de zinco. E eles podem facilitar uma permeabilidade finita a gás hidrogênio, que pode ser lentamente desenvolvido a partir de anodos de zinco em eletrólitos aquosos. Esta propriedade da permeabilidade finita a gás hidrogênio pode evitar o acúmulo de pressão interna.
[00110] Considerando-se estes requisitos, poli-isobutileno (PIB) pode ser um material comercial mente disponível que pode ser formulado em composições de PSA atendendo a muitos, se não a todos, os rePetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 52/306
44/86 quisitos desejáveis. Além disso, PIB pode ser um selante de barreira excelente com absorbância de água muito baixa e baixa permeabilidade a oxigênio. Um exemplo de PIB útil nos exemplos da presente invenção pode ser o Oppanol® B15 da BASF Corporation. O Oppanol® B15 pode ser dissolvido em solventes à base de hidrocarboneto como tolueno, heptano, dodecano, essências minerais e similares. Uma composição de PSA exemplificadora pode incluir 30 por cento de Oppanol® B15 (p/p) em uma mistura de solvente incluindo 70 por cento (p/p) de tolueno e 30 por cento de dodecano. As propriedades adesivas e reológicas de PSAs com base em PIB podem ser determinadas, em alguns exemplos, pela mistura de diferentes graus de massa molecular de PIB. Uma abordagem comum pode utilizar uma parte maior de PIB com baixa massa molecular, por exemplo, Oppanol® B10 para influenciar o umedecimento, viscosidade e adesão, e utilizar uma parte menor de PIB de alta massa molecular para influenciar a dureza e resistência a fluxo. Consequentemente, misturas de qualquer número de graus de massa molecular de PIB podem ser concebidas e podem ser praticadas dentro do escopo da presente invenção. Além disso, acentuadores de pegajosidade podem ser adicionados à formulação de PSA desde que os requisitos previamente mencionados possam ser atendidos. Por sua natureza, acentuadores de pegajosidade conferem propriedades polares às formulações de PSA, e podem precisar ser usados com cuidado para não afetar adversamente as propriedades de barreira do PSA. Além disso, acentuadores de pegajosidade podem, em alguns casos, ser oxidativamente instáveis, e podem incluir um antioxidante, que podería lixiviar do PSA. Por estas razões, acentuadores de pegajosidade exemplificadores para uso em PSAs para microbaterías laminares biocompatíveis podem incluir acentuadores de pegajosidade de resina de hidrocarbono completamente ou majoritariamente hidrogenados, como a série Regalrez de acentuadores de pePetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 53/306
45/86 gajosidade da Eastman Chemical Corporation.
Considerações adicionais de embalagem e substrato em módulos de bateria biocompatíveis [00111] Pode haver várias considerações de embalagem e substrato que podem ditar as características desejáveis para designs de embalagem usados em microbaterias laminares biocompatíveis. Por exemplo, a embalagem pode desejável mente ter base, predominantemente, em folha metálica e/ou filme, sendo que estas camadas de embalagem podem ser tão finas quanto 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 ao ingresso de oxigênio para limitar a degradação de anodos de zinco pela oxidação direta.
[00112] Em alguns exemplos, a embalagem pode fornecer um caminho de permeação finito ao gás hidrogênio, que pode se desenvolver devido à redução direta de água por zinco. E a embalagem pode desejável mente conter suficientemente e pode isolar os conteúdos da bateria de modo que a exposição potencial a um usuário possa ser minimizada.
[00113] Na presente invenção, construtos de embalagem podem incluir os seguintes tipos de componentes funcionais: camadas de embalagem superior e inferior, camadas PSA, camadas espaçadoras, zonas de interconexão, portas de enchimento e embalagem secundária. [00114] 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 construtos de filme multicamada contendo uma pluralidade de camadas de polímero e/ou de barreira. Estes construtos de filme podem ser chamados de filmes laminados de barreira coextrudada. Um exemplo
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46/86 de um filme laminado de barreira coextrudada comercial de utilidade particular na presente invenção pode ser a camada de suporte da 3M® Scotchpak 1109, que consiste em uma rede carreadora de tereftalato de polietileno (PET), uma camada de barreira de alumínio depositado por vapor e uma camada de polietileno incluindo uma espessura média total de filme de 33 mícrons. Vários outros filmes de barreira multicamada similares podem estar disponíveis e podem ser usados em exemplos alternativos da presente invenção.
[00115] Em construções de design incluindo um PSA, a aspereza de superfície de camada da embalagem pode ser de importância particular, pois o PSA pode também precisar vedar as superfícies de camada da embalagem opostas. A aspereza de superfície pode resultar dos processos de fabricação usados em produção de folha metálica e filme, por exemplo, processos que empregam rolamento, extrusão, gofragem e/ou calandragem, entre outros. Se a superfície for muito áspera, o PSA pode não ser capaz de ser aplicado em uma espessura uniforme, dado que a espessura de PSA desejada pode ser da ordem de aspereza de superfície Ra (a média aritmética do perfil de aspereza). Além disso, PSAs podem não vedar adequadamente contra uma superfície oposta se a superfície oposta tiver uma aspereza que pode estar na ordem da espessura da camada de PSA. Na presente invenção, os materiais de embalagem tendo uma aspereza de superfície, Ra, menor que 10 mícrons podem ser exemplos aceitáveis. Em alguns exemplos, os valores de aspereza de superfície podem ser de 5 mícrons ou menos. E, em ainda outros exemplos, a aspereza de superfície pode ser de 1 mícron ou menos. Valores de aspereza 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 aspereza de superfície
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47/86 pode ser descrita por vários parâmetros alternativos, e em que os valores de aspereza de superfície média, Ra, aqui discutidos podem ser visados como representativos dos tipos de recursos inerentes aos processos de fabricação previamente mencionados.
Processamento ilustrado exemplificador da energização biocompatível - separador colocada [00116] Um exemplo das etapas que podem estar envolvidas no processamento de elementos de energização biocompatíveis pode ser encontrado com referência às figuras 4A - 4N. O processamento em algumas das etapas exemplificadoras pode ser encontrado nas figuras individuais. Na Figura 4A, uma combinação de um Espaçador de Catodo de PET 401 e um Espaçador de Lacuna de PET 404 pode ser ilustrada. O Espaçador de Catodo de PET 401 pode ser formado aplicando-se filmes de PET 403 que, por exemplo, podem ser de aproximadamente 0,08 mm (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 0,03 mm (1 mil) de espessura. O Espaçador de Lacuna de PET 404 pode ser formado de uma camada de PVDF 409 que pode ter aproximadamente 0,08 mm (3 mils) de espessura. Pode haver uma camada de PET de cobertura 405 que pode ter aproximadamente 0,01 mm (0,5 mils) de espessura. Entre a camada de PVDF 409 e a camada de cobertura de PET 405, em alguns exemplos, pode haver uma camada de PSA.
[00117] Prosseguindo para a figura 4B, um orifício 406 na camada do espaçador de fenda de PET 404 pode ser cortado por tratamento de corte a laser. Depois, na figura 4C, a camada cortada do espaçador de fenda de PET 404 pode ser laminada 408 à camada de espaçador de catodo de PET 401. Prosseguindo para a figura 4D, um orifício espaçador de catodo 410 pode ser cortado por tratamento de corte a laPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 56/306
48/86 ser. 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 os pedaços distintos de Celgard em suas localizações desejadas no dispositivo em crescimento. Na figura 4H, as peças de Celgard colocadas 422 são presas em posição, e então a camada de liberação de PVDF 423 pode ser removida. Prosseguindo para a figura 4I, a estrutura do dispositivo em crescimento pode ser ligada a um filme do anodo 425. O anodo 425 pode compreender um filme coletor de anodo sobre o qual um filme de anodo de zinco foi eletrodepositado.
[00118] Prosseguindo para a figura 4J, uma pasta fluida para catodo 430 pode ser colocada na fenda formada. Um rodo 431 pode ser usado em alguns exemplos para espalhar a mistura para catodo ao longo de uma peça de trabalho, e no processo preencher as fendas dos dispositivos de bateria sendo formados. Após o preenchimento, 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 catodo 440 para que ela também tenha a altura do topo da camada de PET. Prosseguindo para a figura 4M, uma camada de filme de catodo 450, que pode já ter o filme coletor de catodo sobre si, pode ser ligada à estrutura em crescimento. Na Figura 4N, um processo de corte a laser pode ser realizado para rePetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 57/306
49/86 mover as regiões laterais 460 e produzir um elemento de bateria 470. Pode haver várias alterações, deleções, mudanças nos materiais e espessura alvo que podem ser úteis dentro do objetivo da presente invenção.
[00119] O resultado do processamento exemplificador pode ser mostrado em certo nível de detalhes na figura 5. Em um exemplo, os seguintes recursos de referência podem ser definidos. A química de catodo 510 pode estar localizada em contato com o catodo e coletor do catodo 520. Uma camada de adesivo sensível à pressão 530 pode segurar e vedar o coletor de catodo 520 em uma camada espaçadora 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 fenda de PET 560 às camadas do anodo e do coletor de corrente de anodo. Uma camada em placas de zinco 570 pode estar depositada sobre o coletor de corrente do anodo 580. A camada separadora 590 pode estar localizada dentro da estrutura para realizar as funções associadas, conforme definidas 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 energização biocompatível -separador depositado [00120] Um exemplo das etapas que podem estar envolvidas no processamento de elementos de energização biocompatíveis pode ser encontrado nas figuras 6A - 6F. O processamento em algumas das etapas exemplificadoras pode ser encontrado nas figuras individuais. Pode haver várias alterações, deleções, mudanças nos materiais e espessura alvo que podem ser úteis dentro do objetivo da presente invenção.
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50/86 [00121] Na figura 6A, um construto laminar exemplificador 600 é ilustrado. A estrutura laminar pode compreender duas camadas de liberação de construto laminar 602 e 602a; duas camadas adesivas de construto laminar 604 e 604a, localizadas entre as camadas de liberação de construto laminar 602 e 602a; e um núcleo de construto laminar 606 localizado entre as duas camadas adesivas de construto laminar 604 e 604a. As camadas de liberação do construto laminar, 602 e 602a e as camadas adesivas, 604 e 604a, podem ser produzidas ou compradas, por exemplo, uma fita de transferência adesiva sensível à pressão comercial mente disponível com camada de revestimento primário. As camadas adesivas do construto laminar podem ser uma camada de PVDF que pode ter aproximadamente 1-3 milímetros de espessura e cobrir o núcleo do construto laminar 606. O núcleo do construto laminar 606 pode compreender uma resina polimérica termoplástica, como tereftalato de polietileno, que, por exemplo, pode ter aproximadamente 3 milímetros de espessura. Prosseguindo para a figura 6B, um meio para armazenar a mistura de catodo, como uma cavidade para a bolsa de catodo 608, pode ser cortado no construto laminar por tratamento de corte a laser.
[00122] Depois, na figura 6C, a camada de liberação inferior do construto laminar 602a pode ser removida do construto laminar, expondo a camada adesiva de construto laminar 604a. A camada adesiva de construto laminar 604a pode, então, ser usada para aderir uma folha metálica de conexão do anodo 610 para cobrir a abertura inferior da bolsa de catodo 608. Prosseguindo para a figura 6D, a folha metálica de conexão do anodo 610 pode ser protegida na camada inferior exposta através da adesão de uma camada de mascaramento 612. A camada de mascaramento 612 pode ser uma fita de transferência de PSA comercial mente disponível com um revestimento primário. Depois, na figura 6E, a folha metálica de conexão do anodo 610 pode ser
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51/86 galvanizada com um metal coerente 614, o zinco, por exemplo, que reveste a seção exposta da folha metálica de conexão do anodo 610 dentro da bolsa de catodo. Prosseguindo para 6F, a camada de mascaramento de coleta elétrica do anodo 612 é removida da parte inferior da folha metálica de conexão do anodo 610 após a galvanoplastia.
[00123] 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 construto laminar 702 e 702a, uma camada em cada extremidade; duas camadas adesivas de construto laminar 704 e 704a, localizadas entre as camadas de liberação de construto laminar 702 e 702a; e um núcleo de construto laminar 706 localizado entre as duas camadas adesivas de construto laminar 704 e 704a. As camadas de liberação e as camadas adesivas do construto laminar podem ser produzidas ou compradas, por exemplo, uma fita de transferência adesiva sensível à pressão com camada de revestimento primário comercial mente disponível. As camadas adesivas do construto laminar podem ser uma camada de fluoreto de polivinilideno PVDF, que pode ter aproximadamente 1-3 milímetros de espessura e cobrir o núcleo do construto laminar 706. O núcleo de construto laminar 706 pode compreende uma resina de polímero termoplástico, como tereftalato de polietileno, que, por exemplo, pode ter uma espessura de aproximadamente 3 mm. Prosseguindo para a figura 7B, um meio para armazenar, como uma cavidade para a bolsa de catodo 708, pode ser cortado no construto laminar por tratamento de corte a laser. Na figura 7C, uma folha metálica de conexão do anodo 710 pode ser obtida e uma camada de mascaramento protetora 712 aplicada a um lado. Depois, na figura 7D, a folha metálica de conexão do anodo 710 pode ser galvanizada com uma camada 714 de um mePetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 60/306
52/86 tal coerente, por exemplo, zinco. Prosseguindo para a figura 7E, os construtos laminares das figuras 7B e 7D podem ser combinados para formar um novo construto laminar conforme descrito na figura 7E pela adesão do construto 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 na camada galvanizada 714 da figura 7D. Prosseguindo para a figura 7F, a camada de mascaramento protetora de anodo 712 pode ser removida do fundo da folha metálica de conexão do anodo 710.
[00124] 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. Prosseguindo para a figura 8A, uma mistura precursora do separador de hidrogel 820 pode ser depositada na superfície do conjunto de laminado. Em alguns exemplos, conforme mostrado, a mistura precursora de hidrogel 820 pode ser aplicada em uma camada de liberação 802. Depois, na figura 8B, a mistura precursora do separador de hidrogel 820 pode ser espalhada com rodo 850 para dentro da bolsa de catodo ao ser removida da camada de liberação 802. O termo espalhar com rodo pode, em geral, se referir ao uso de uma ferramenta de raspagem para esfregar ao longo de uma superfície e mover o material fluido sobre a superfície e para o interior das cavidades existentes. 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.
[00125] O processamento mostrado na figura 8B pode ser realizado
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53/86 várias vezes para garantir o revestimento da bolsa de catodo e aumentar a espessura dos recursos resultantes. Depois, na figura 8C, podese permitir que a mistura precursora do separador de hidrogel seque, a fim de evaporar materiais, que podem tipicamente ser solventes ou diluentes de vários tipos, da mistura precursora do separador de hidrogel, e então os materiais aplicados e dispensados podem ser curados. Pode ser possível repetir ambos os processos mostrados na figura 8B e na figura 8C em combinação, em alguns exemplos. Em alguns exemplos, a mistura precursora do separador de hidrogel pode ser curada pela exposição ao calor, enquanto em outros exemplos a cura pode ser realizada pela exposição à energia de fóton. Em ainda 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 do separador de hidrogel.
[00126] O resultado da cura pode ser a formação do material precursor do separador de hidrogel na parede da cavidade, bem como na região da superfície próxima a um recurso de anodo ou catodo, que no presente exemplo pode ser um recurso de anodo. 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 catodo 830 pode ser depositada sobre a superfície da camada de liberação do construto laminar 802. Depois, na figura 8E a pasta fluida para catodo 830 pode ser espalhada para o interior da bolsa de catodo e no concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822. A pasta fluida para catodo pode ser movida para sua localização desejada na cavidade enquanto é simultaneamente removida, de modo geral, da camada de liberação do construto laminar 802. O processo da figura 8E pode ser realizado
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54/86 várias vezes para garantir o revestimento da pasta fluida para catodo 830 sobre o concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822. Depois, na figura 8F, pode-se permitir que a pasta fluida para catodo seque, formando um preenchimento de catodo isolado 832 sobre o concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822, preenchendo o restante da bolsa de catodo.
[00127] Prosseguindo para a figura 8G, uma formulação de eletrólito 840 pode ser adicionada ao preenchimento de catodo isolado 832, e pode-se permitir que ela hidrate o preenchimento de catodo isolado 832 e o concentrado de mistura precursora polimerizada de anidro 822. Depois, na figura 8H, uma folha metálica de conexão de catodo 816 pode ser aderida à camada adesiva de construto laminar 804 restante pela remoção da camada de liberação do construto laminar 802 restante e pelo pressionamento da folha metálica de conexão 816 em posição. A colocação resultante pode resultar na cobertura do preenchimento de catodo hidratado 842 bem como no estabelecimento do contato elétrico com o preenchimento de catodo 842 como um coletor de corrente do catodo e meio de conexão.
[00128] As Figuras 9A a 9C podem ilustrar um exemplo alternativo do conjunto laminar resultante ilustrado na Figura 7D. Na figura 9A, a folha metálica de conexão do anodo 710 pode ser obtida, e uma camada de mascaramento protetora 712 pode ser aplicada a um lado. A folha metálica de conexão do anodo 710 pode ser folheada com uma camada 714 de metal coerente com, por exemplo, zinco. De modo similar ao descrito nas figuras anteriores. Prosseguindo para a figura 9B, um separador de hidrogel 910 pode ser aplicado sem o uso do método de rodo ilustrado na figura 8E. A mistura precursora separadora de hidrogel pode ser aplicada de várias formas, por exemplo, um filme préformado da mistura pode ser aderido mediante ação física; alternativamente, uma mistura diluída da mistura precursora separadora de
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55/86 hidrogel pode ser dispensada e então ajustada a uma espessura adequada mediante o processamento por revestimento por centrifugação. Alternativamente, o material pode ser aplicado através de revestimento por aspersão, ou qualquer outro processamento equivalente. Depois, na figura 9C, é mostrado o processamento para criar um segmento do separador de hidrogel que pode funcionar como um confinamento 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 bateria 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 reticulada da camada separadora, e 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 deste ser curado, de modo a criar porções regionalmente diferenciadas que, após a cura, se tornam o recurso de bloqueio 920. Em ainda outros exemplos, 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 independente ou, alternativamente, pode ser materialmente adicionada 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 construto ou conjunto de laminado do tipo mostrado como o resultado do processamento na figura 9C pode ser formado sem o recurso de bloqueio 920.
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Separadores do polimerizados do elemento de bateria [00129] Em alguns designs de bateria, 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 de algumas opções de material, como exemplos não limitadores. Em tais casos, um separador fundido ou moldado no lugar, que é ilustrado nos processos das figuras 8A - 8H, por exemplo, pode fornecer benefícios desejáveis. Enquanto separadores de amido ou colados foram usados comercial mente com sucesso em AA e outras baterias no formato Leclanché ou zinco-carbono, tais separadores podem ser de alguns modos inadequados para o uso em certos exemplos de microbaterias laminares. Atenção especial pode precisar ser dada à uniformidade e consistência de geometria em qualquer separador usado nas baterias da presente invenção. Controle preciso sobre o volume do separador pode ser necessário para facilitar a incorporação precisa subsequente de volumes de catodo conhecidos e a realização subsequente de capacidades de descarga e desempenho celular consistentes.
[00130] Um método para se obter um separador moldado no lugar uniforme e mecanicamente robusto pode ser usar formulações de hidrogel curáveis por UV. Várias formulações de hidrogel permeáveis à água podem ser conhecidas em várias indústrias, por exemplo, a indústria de lentes de contato. Um exemplo de um hidrogel comum na indústria de lentes de contato pode ser o gel reticulado de poli(metacrilato de hidróxi-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 conteúdo de água de aproximadamente 30-40 por cento no estado hidratado, mantendo, ao mesPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 65/306
57/86 mo tempo, um módulo elástico de cerca de 0,7 MPa (100 psi) ou maior. Além disso, as propriedades de módulo e conteúdo de água dos hidrogéis reticulados podem ser ajustadas pelos versados na técnica através da incorporação de componentes monoméricos hidrofílicos adicionais (por exemplo, ácido metacrílico) ou componentes poliméricos (por exemplo, polivinilpirrolidona). Dessa forma, o conteúdo de água, ou, mais especificamente, a permeabilidade tônica do hidrogel pode ser ajustado através de formulação.
[00131] Particularmente vantajosa em alguns exemplos, uma formulação de hidrogel polimerizável e moldável pode conter um ou mais diluentes para facilitar o processamento. O diluente pode ser escolhido para ser volátil, de modo que a mistura moldável possa ser espalhada para o interior de uma cavidade e, então, seca por um período suficiente para que o componente de solvente volátil seja removido. 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 ajustar a fornecer uma viscosidade de aplicação desejada, de modo a 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, particularmente no caso onde monômeros fortemente polares são incorporados na formulação. Outro aspecto que pode ser importante para se obter a fundição de uma camada uniforme de material polimerizável na cavidade pode ser a viscosidade da aplicação. Monômeros reativos comuns com pequena massa molar tipicamente não têm viscosidades muito altas, podendo ser tipicamente de apenas poucos centipoises. Em um esforço para fornecer o controle benéfico da viscosidade do material separador moldável e polimerizável, um componente polimérico de alta massa molar conhecido por ser compatível com o material
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58/86 polimerizável pode ser selecionado para incorporação na formulação. Exemplos de polímeros de alta massa molar que podem ser adequados para incorporação em formulações exemplificadoras, podem incluir polivinilpirrolidona e poli(óxido de etileno).
[00132] Em alguns exemplos, o separador moldável e polimerizável pode ser vantajosamente aplicado em uma cavidade projetada, conforme anteriormente descrito. Em exemplos alternativos, pode não haver nenhuma cavidade no momento da polimerização. Em vez disso, a formulação do separador moldável e polimerizável pode ser revestida sobre um substrato contendo eletrodo, por exemplo, latão conformado folheado a zinco e, então, subsequentemente exposto à radiação actínica com o uso de uma fotomáscara para polimerizar seletivamente o material separador em áreas-alvo. O material separador pode então ser removido pela exposição a solventes de enxágue apropriados. Nestes exemplos, o material separador pode ser projetado como um separador foto moldável.
Formulações do separador de múltiplos componentes [00133] 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 desejavelmente 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 importante 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 desejável mente 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
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59/86 componente de solvente.
[00134] 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 (tetraetilenoglicol dimetacrilato), TrEGDMA (trietilenoglicol dimetacrilado), etileno glicol dimetacrilato (EGDMA), etilenodiamina dimetaacrilamida, glicerol dimetacrilato e combinações dos mesmos.
[00135] 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.
[00136] Os polímeros hidrofílicos de alto peso molecular fornecem molhabilidade otimizada e, em alguns exemplos, pode melhorar a moIhabilidade 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 de 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 mencioPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 68/306
60/86 nados, 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.
[00137] Em alguns exemplos, o polímero hidrofílico de alta massa molar pode ser solúvel no diluente sob 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.
[00138] Os exemplos de polímeros hidrofílicos de alto peso molecular podem incluir, mas não se limitam a poliamidas, polilactonas, poliimidas, polilactamas e poliamidas funcionalizadas, polilactonas, poliimidas, 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 pirrolidona, poli-N-vinil-2-piperidona, poli-N-vinil-2-caprolactama, poli-N-vinil3-metil-2-caprolactama, poli-N-vinil-3-metil-2-piperidona, poli-N-vinil-4metil-2-piperidona, poli-N-vinil-4-metil-2-caprolactama, poli-N-vinil-3etil-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, polissacarideos de heparina, polisPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 69/306
61/86 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.
[00139] 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.
[00140] O método associado com estes tipos de separadores pode também incluir receber o CGI 819; e então misturar com PVP, HEMA, EGDMA e IPA; e então curar a mistura resultante com uma fonte de calor ou 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 de iniciar a polimerização geralmente realizada em reações de polimerização estão dentro do escopo da presente invenção.
Coletor de correntes e eletrodos [00141] Em alguns exemplos de células de carbono de zinco e Leclanche, o coletor de corrente do catodo pode ser uma haste de carbono sinterizado. Esse tipo de material pode enfrentar obstáculos técnicos para células eletroquímicas finas da presente invenção. Em alguns exemplos, tintas de carbono impressas podem ser usadas em células eletroquímicas delgadas para substituir uma haste de carbono sinterizado para o coletor de corrente do catodo, e nestes exemplos, o dispositivo resultante pode ser formado sem prejuízo significativo para
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62/86 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 em que o filme de embalagem pode ser uma folha metálica, a tinta de carbono pode precisar proteger a folha metálica subjacente de 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. Dado que a resistência de uma trilha aumenta com o comprimento da trilha e diminui com a área transversal, pode haver uma relação direta entre a espessura e a resistência do coletor de corrente. A resistividade a granel da tinta de carbono pode ser insuficiente para satisfazer o requisito de resistência das 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 reaPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 71/306
63/86 lizar células eletroquímicas delgadas 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.
[00142] 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 catodo. As pilhas metálicas exemplificadoras úteis como coletores de corrente catódica podem ser camadas de adesão de Ti-W (titânio-tungstênio) e camadas condutores de Ti (titânio). As pilhas metálicas exemplificadoras úteis como coletores de corrente de anodo podem ser camadas de adesão de Ti-W, camadas condutores 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 camada de partícula inicial pare cultivar uma camada condutore espessa. As camadas adicionais podem ser folheadas sobre o cobre. Entretanto, o cobre pode ser eletroquimicamente incompatível com certos eletrólitos, 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.
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64/86 [00143] 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 anodo de zinco. A folha metálica de latão pode ser opcionalmente galvanizada com índio antes de galvanizar com zinco. Em um exemplo, as folhas metálicas para embalagem de coletor de corrente de catodo podem compreender folha metálica de titânio, folha metálica de Hastelloy C276, 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.
Anodo e inibidores de corrosão de anodo [00144] O anodo para a bateria laminar da presente invenção pode, por exemplo, compreender zinco. Em baterias tradicionais de carbonozinco, um anodo de zinco pode adotar a forma física de uma lata, na qual o conteúdo da célula eletroquímica pode estar contido. Para a bateria 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 bateria ultrapequena.
[00145] 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 anodos 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 zinco eletrogalvanizado pode ser o processamento com o uso de uma fotomáscara ou uma máscara física. Uma máscara de deposição pode ser fabricada por
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65/86 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 galvanização desejado pode ser então projetado para a fotorresistência por meio de uma fotomáscara, causando assim a cura de áreas selecionadas de 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.
[00146] Um meio alternativo para padronizar anodos 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 tiras removíveis de proteção aplicadas 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 catodo, 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
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66/86 de camada de aproximadamente 10 a 20 mícrons. Ambas as camadas de PSA podem ser cobertas por um filme removível de PET que pode ter um tratamento de superfície de energia de superfície baixa, 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. As construções do filme de PET e da máscara de zinco de PET/PSA, conforme aqui descrito, podem ser processadas de maneira desejável com equipamento de microusinagem a laser de nanossegundos de precisão, como a estação de trabalho de microusinagem a laser Oxford Lasers E-Series, para criar aberturas ultraprecisas na máscara para facilitar a galvanização posterior. Em essência, uma vez que a máscara de zinco foi fabricada, um lado da tira removível pode ser removido, e a máscara com passagens pode ser laminada ao coletor de corrente do anodo e/ou folha/filme de embalagem de lado de anodo. Dessa maneira, o PSA cria uma vedação nas bordas internas das aberturas, facilitando a limpeza e encobrimento preciso do zinco durante a galvanoplastia.
[00147] 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 anodo eletroquimicamente compatível, como bronze. Em exemplos de projeto alternativos, onde a embalagem do anodo 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 folheamento 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 mePetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 75/306
67/86 tal 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 bateria com sua função primária sendo para fornecer uma propriedade anticorrosiva ao zinco na presença do eletrólito. Em alguns exemplos, o índio pode ser depositado de maneira bem-sucedida em várias metalizações iniciais, como Ti-W e Au. Os filmes resultantes de 1 a 3 mícrons de índio nas ditas camadas de metalização inicial podem ser de baixa tensão e aderentes. Desse modo, o filme de embalagem do lado do anodo 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 sob microscópio, a formação de nódulos de zinco pode ser observada no depósito de índio liso subjacente. Em certos projetos de célula eletroquímica, a provisão de espaço vertical para a camada de anodo 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 anodo. 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.
[00148] Em alguns exemplos, o folheamento de DC de densidade de corrente mais alta pode superar os padrões de crescimento nodulares de zinco relativamente grandes sobre as superfícies de índio. Por exemplo, condições de folheamento de 100 ASF podem resultar em zinco nodular, mas o tamanho dos nódulos de zinco pode ser drastiPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 76/306
68/86 camente reduzido em comparação com condições de folheamento de 20 ASF. Além disso, o número de nódulos pode ser imensamente 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 mícrons.
[00149] 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 anodo, o anodo em si, como um componente de liga cofoIheado, ou como um revestimento de superfície sobre o zinco galvanizado. Para o último caso, os revestimentos da superfície de índio podem ser desejável mente aplicados in-situ por meio de um aditivo de eletrólito, como tricloreto de índio ou acetato de índio. Quando esses aditivos podem ser adicionados ao eletrólito em concentrações pequenas, o índio pode galvanizar espontaneamente em superfícies de zinco expostas bem como porções do coletor de corrente do anodo exposto.
[00150] Anodos de zinco e similares, comumente usados em baterias primárias comerciais, são tipicamente encontrados sob a forma de folhas, hastes, e pastas. O anodo de uma miniatura, bateria biocompatível pode ser de forma semelhante, por exemplo folha fina, ou pode ser galvanizada conforme mencionado anteriormente. As propriedades desse anodo 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, os parâmetros especiais
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69/86 de processo de folheamento, uma composição especial do banho de folheamento, um tratamento de superfície especial e uma composição de eletrólito especial podem ser necessários para otimizar o desempenho do eletrodo.
Mistura de catodo [00151] Pode haver várias misturas químicas de catodo que podem ser consistentes com os conceitos da presente invenção. Em alguns exemplos, uma mistura de catodo, que pode ser um termo para uma fórmula química usada para formar um catodo da bateria, pode ser aplicada como uma pasta, gel, suspensão ou pasta aquosa, 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 ligantes, sais eletrólitos, 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 catodos 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 catodos pode ser seca antes de ser usada em futuras etapas de montagem da célula, enquanto que, em outros exemplos, o catodo pode conter alguns ou todos os componentes de eletrólitos, e pode ser somente parcialmente seco a um teor de umidade selecionado.
[00152] O óxido metálico de transição pode, por exemplo, ser dióxido de manganês. O dióxido de manganês, que pode ser usado na mistura de catodo, pode ser, por exemplo, dióxido de manganês eletrolítiPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 78/306
70/86 co (EMD), devido à energia específica adicional benéfica que esse tipo de dióxido de manganês fornece em relação a outras formas, como dióxido de manganês natural (DMN) ou dióxido de manganês químico (DMQ). Além disso, o EMD 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 pastas/pastas aquosas de mistura de catodos imprimíveis ou depositáveis. Especificamente, o EMD pode ser processado para remover componentes de partículas significativamente grandes, que podem ser considerados grandes em relação às outras características 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.
[00153] A moagem é a redução de materiais sólidos de um tamanho médio de partícula para um tamanho médio de partícula menor, por trituração, moagem, corte, vibração, ou outros processos. A moagem pode também ser usada para liberar materiais úteis dos materiais da matriz na qual eles podem estar incorporados, e para concentrar minerais. Um moinho é um dispositivo que quebra materiais sólidos em pedaços menores, através de moagem, trituração ou corte. 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 engenho, 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 contaPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 79/306
71/86 minação 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. [00154] A moagem pode ser um aspecto de produção de mistura de catodos para a distribuição uniforme do tamanho da partícula dos ingredientes da mistura de catodos. O tamanho de partícula uniforme em uma mistura de catodo pode auxiliar em viscosidade, reologia, eletrocondutividade e outras propriedades de um catodo. A moagem pode auxiliar essas propriedades através do controle da aglomeração, ou uma coleta de massa, dos ingredientes de mistura de catodo. Aglomeração - o agrupamento de elementos dispersos que, no caso da mistura de catodo, podem ser alótropos de carbono e óxidos metálicos de transição - pode afetar negativamente o processo de preenchimento, deixando espaços vazios na cavidade desejada do catodo, conforme ilustrado na Figura 11.
[00155] 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.
[00156] Em alguns exemplos, o EMD 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 EMD pode ser peneirado, moído adicionalmente, ou, de outro modo, separado ou processado para limitar o teor de partículas
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72/86 grandes abaixo de certo limiar de, por exemplo, 25 mícrons ou menor. [00157] O catodo pode também compreender dióxido de prata ou óxi-hidróxido 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 catodos podem ter exemplos atuais presentes na indústria e na literatura. Uma microbateria inovadora que utiliza um catodo 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.
[00158] Alguns exemplos da mistura de catodos podem incluir um aglutinante polimérico. O aglutinante pode servir a inúmeras de funções na mistura de catodos. A função primária do aglutinante pode ser criar uma rede elétrica interpartículas suficiente entre partículas de EMD 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 catodos 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 catodo.
[00159] A escolha do polímero aglutinante, bem como da quantidade a ser usada, pode ser benéfica para a função do catodo na célula eletroquímica da presente invenção. Se o polímero aglutinante for solúvel demais no eletrólito a ser usado, então, a função primária do aglutinante - continuidade elétrica - pode ser drasticamente impactada ao ponto da não funcionalidade da célula. Inversamente, se o polímero aglutinante for insolúvel no eletrólito para ser usado, porções de EMD podem ser ionicamente isoladas do eletrólito, resultando no desempenho de célula reduzido, como capacidade reduzida, tensão de circuito
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73/86 aberto inferior e/ou resistência interna elevada.
[00160] O ligante pode ser hidrofóbico; ele pode também ser hidrofílico. Os exemplos de polímeros aglutinantes úteis para a presente invenção compreendem PVP, poli-isobutileno (PIB), copolímeros em tribloco emborrachados que compreendam blocos de extremidade de estireno, como aqueles fabricados pela Kraton Polymers, copolímeros em bloco de borracha de butadieno estireno, ácido poliacrílico, hidroxietilcelulose, carboximetilcelulose e sólidos de fluorocarboneto, como poli(tetrafluoroetileno), entre outros.
[00161] Um solvente pode ser um componente da mistura de catodos. Um solvente pode ser útil para umedecer a mistura de catodos, 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 catodos. 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 catodos, permitindo uma distribuição mais uniforme dos ingredientes da mistura de catodos.
[00162] Um carbono condutor pode normalmente ser usado na produção de um catodo. 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 catodos a um coletor de corrente. Entretanto, em elementos de energização que exige quantidades relativamente baixas de energia, essas variações na eletrocondutividade 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
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74/86 amorfo (informalmente chamado de negro de fumo), buckminsterfulereno (“buckminsterfullerene”), carbono vítreo, aerogéis de carbono e outras possíveis formas de carbono capazes de conduzir eletricidade. Um exemplo de um alótropo de carbono pode ser grafite.
[00163] Um exemplo de uma formulação completa de mistura de catodos pode ser dado na tabela abaixo:
Exemplo de Formulação Peso relativo
80:20 JMEMD/KS6 4,900
PIB B10 (a partir de solução de 20%) 0,100
tolueno 2,980
Total 7,980
onde PIB é poli-isobutileno, JMEMD é dióxic o 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 catodos, a mistura pode ser dispensada, aplicada e/ou armazenada em uma superfície, como o separador de hidrogel, ou o coletor de corrente catódica, 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 eletrocondutividade.
[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
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75/86 de forma ideal com a mistura de catodos 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 catodos. 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 catodos. 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 catodos. 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 catodo reologia. Os defeitos exemplificadores ilustrados nas Figuras 10B a 10F podem resultar em vários problemas da bateria, 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 catodos. A aglomeração pode resultar em diminuição do desempenho da mistura de catodo, por exemplo, capacidade de descarga diminuída e resistência interna elevada.
[00167] Em um exemplo, a mistura de catodo pode parecer com uma consistência de pasta de amendoim otimizada para preencher por espátula a cavidade de construção laminar enquanto mantém a eletrocondutividade. Em outro exemplo, a mistura pode ser viscosa o suficiente para ser impressa na cavidade. Enquanto que, em outro exemplo, a mistura de catodos pode ser seca, colocada e armazenada na cavidade.
Fabricação de catodo
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76/86 [00168] A química da pasta fluida para catodo poderá ter um papel determinante no desempenho da pasta fluida para catodo. Os aditivos para pastas fluidas para catodo 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 catodo podem conter aditivos para estabilidade coloidal e/ou tampões para resistir aos impactos de pH. Desenvolver boa pasta fluida para catodo 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 catodo. 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 catodo podem consistir em uma fase líquida, como um solvente, e uma fase sólida, como oxidantes, tensoativos, 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 catodo 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
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77/86 importantes, incluindo componentes adicionais. Em um exemplo nãolimitador, pode ser útil incluir um biocida como um componente da formulação de uma pasta fluida para catodo para a biocompatibilidade e longevidade do tempo de utilização da pasta fluida (a duração da pasta fluida para catodo 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 catodo 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 dessorção 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 coloídal da pasta fluida para catodo pode também ser um fator importante a ser levado em consideração na fabricação. Por exemplo, a pasta fluida para catodo na qual a natureza coloídal é instável pode ter mais partículas decantando da mistura. Portanto, as pastas fluidas para catodo 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 coloídal, 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 característiPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 86/306
78/86 cas 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 catodo 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 bateria.
[00172] A natureza e composição da pasta fluida para catodo podem ter um efeito na capacidade de fabricação. Na fabricação de grande escala, a pasta fluida para catodo pode ser produzida e entregue por meio de um sistema de distribuição de pasta fluida para catodo (cSDS), conforme ilustrado de modo exemplar na Figura 12. Na Figura 12, todos os reagentes 1200 para a pasta fluida para catodo 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 moagem a jato pode ser peneirado 1212 para um tamanho ideal de partícula; o negro de fumo pode ser peneirado 1214 para um tamanho ideal
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79/86 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, microfiltração, 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 catodo, 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 prémistura 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 catodo pode incorporar funcionalidade adicionada que permite o monitoramento e manutenção da qualidade da pasta fluida para catodo 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 ouPetição 870180033454, de 25/04/2018, pág. 88/306
80/86 tros componentes podem ter um efeito nas propriedades da pasta fluida para catodo. 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 catodo, 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 catodo 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 catodo podem resultar em pastas fluidas que podem ser caracterizadas como pastas fluidas para catodo nãonewtonianas. Nos exemplos de dinâmicas de pasta fluida não newtoniana, a viscosidade pode ser medida como uma função da taxa de cisalhamento com o uso de um reômetro com controle de tensão ou taxa de cisalhamento. Um exemplo de uma viscosidade útil para aplicações de pasta fluida para catodo, 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 catodo como também durante a distribuição como parte de um sistema de controle de qualidade para minimizar a variabilidade 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
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81/86 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 catodo 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 catodo 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 catodo pode exigir a remistura também. A recirculação da mistura de pasta fluida para catodo 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 catodo. A mistura de pasta fluida para catodo 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 catodo 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
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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 catodo em um sistema de distribuição de pasta fluida para catodo pode ser uma tarefa delicada e deve-se tomar cuidado para assegurar que a pasta fluida para catodo não seja danificada. Isso pode significar não sujeitar a pasta fluida para catodo 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 catodo 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 batería pode estar proximamente interligada. Conforme discutido em seções anteriores da presente invenção, a batería tem os seguintes elementos: catodo, anodo, 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
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83/86 de mesmo volume, exceto o catodo. Em alguns exemplos, o sistema eletroquímico pode exigir cerca de duas (2) a dez (10) vezes o volume do catodo como anodo 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 anodo = 1 pm; Coletor de corrente do catodo = 1 pm; Eletrólito = líquido intersticial (eficazmente 0 pm); Separador = tão delgado ou espesso quanto desejado onde a espessura máxima planejada seja de aproximadamente 15 pm; Anodo = 5 pm; e o catodo = 50 pm. Para esses exemplos de elementos, a embalagem necessária para fornecer proteção suficiente para manter a química da bateria em ambientes de uso pode ter uma espessura máxima planejada de aproximadamente 50 pm.
[00183] Em alguns exemplos, que podem ser fundamentalmente diferentes de construções prismáticas grandes, como formas cilíndricas e retangulares e que podem ser diferentes da construção de estado sólido baseada na pastilha, tais exemplos podem assumir uma construção do tipo bolsa, usando mantas ou lâminas fabricadas em várias configurações, com elementos de bateria 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 bateria finos e amplos. Ademais, esses exemplos podem ser adequados para a aplicação através de revestimento, impressão por gravura, impressão serigráfica, bombardeamento iônico, ou outra tecnologia de fabricação semelhante.
[00184] Pode haver várias disposições dos componentes internos,
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84/86 como o anodo, separador e catodo, nesses exemplos de bateria do tipo bolsa com fator de forma fina, mas ampla. Dentro da região envolvida formada por dois filmes, esses elementos básicos pode ser coplanares isto é lado a lado no mesmo plano ou cofaciais que pode ser face a face em planos opostos. Na disposição coplanar, o anodo, o separador e o catodo podem ser depositados na mesma superfície. Para a disposição cofacial, o anodo pode ser depositado na superfície-1, o catodo 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 soldagem térmica, soldagem ultrassônica e similares. As lâminas podem ser susceptíveis às práticas de indústria padrão, como montagem rolo a rolo (R2R), ou lâmina a lâmina. Conforme indicado previamente, um volume interior para o catodo pode precisar ser substancialmente maior que os outros elementos ativos na bateria. Grande parte de uma construção da bateria poderá ter de criar o espaço desse material catódico e apoiar sua migração durante o dobramento da bateria. Uma outra porção da construção da bateria que pode consumir porções significantes 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.
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85/86 [00186] Nesses exemplos de montagem de bateria laminada, o produto em formação pode ter uma lâmina de anodo, que pode ser uma combinação de uma camada de embalagem e um coletor de corrente anódica, bem como substrato para a camada de anodo. 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 catodo.
[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. Lavadores de onda ou molas similares são utilizadas em células comerciais para manter a força dentro da bateria; entretanto, estes podem aumentar a espessura geral de uma bateria miniatura. Em baterias de emplastro típicas, um separador pode ser saturado em eletrólito, colocado através dos eletrodos, e pressionado pela embalagem externa. Em uma bateria laminar cofacial há vários métodos para aumentar a intimidade do eletrodo. O anodo pode ser colocado diretamente no coletor de corrente em vez de utilizar uma pasta. Este processo inerentemente resulta em um alto nível de intimidade e condutividade. O catodo, entretanto, é tipicamente uma pasta. Embora o material aglutinante presente na pasta do catodo possa fornecer adesão e coesão, pressão mecânica pode ser necessária para garantir que a pasta do catodo permaneça em contato com o coletor de corrente catódica. Isso pode ser
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86/86 especialmente importante conforme a embalagem é fixada e a bateria envelhece e é descarregada, por exemplo, conforme a umidade deixa a embalagem através de vedações finas e pequenas. A compressão do catodo pode ser obtida na bateria laminar cofacial através da introdução de um separador e /ou eletrólito compatível entre o anodo e o catodo. Um eletrólito em gel ou separador de hidrogel, por exemplo, podem se comprimir na montagem e não simplesmente escorrer para fora da bateria, como um eletrólito líquido pode. Uma vez que a bateria é selada, o eletrólito e/ou o separador podem, então, empurrar de volta contra o catodo. Uma etapa de gofragem pode ser realizada após a montagem da pilha laminar, introduzindo a compressão na pilha.
[00188] A mistura de catodo 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 catodo para uso em baterias biocompatíveis. Esses exemplos têm o propósito de ilustrar mencionado 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.
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Claims (22)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Método para fabricar um catodo biocompatível para uso em uma bateria biocompatível, caracterizado pelo fato de que compreende 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 catodo;
    filtrar a mistura de pasta fluida para catodo, em que a filtragem remove partículas da pasta fluida para catodo que podem causar enchimento insuficiente de um núcleo laminado da bateria biocompatível;
    distribuir a mistura de pasta fluida para catodo em um catodo biocompatível para uso em uma bateria biocompatível, sendo que a filtragem ocorre antes da distribuição da pasta fluida para catodo;
    vedar o núcleo laminado para biocompatibilidade; e inserir a bateria biocompatível em uma lente de contato, em que a filtragem da mistura de pasta fluida para catodo suporta a formação da bateria biocompatível em uma forma suficientemente pequena para encaixar-se na lente de contato.
  2. 2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a filtragem ocorre em um circuito de recirculação de um sistema de distribuição de pasta fluida para catodo.
  3. 3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o armazenamento e a recirculação da mistura de pasta fluida para catodo após filtragem da mistura de pasta fluida para catodo.
  4. 4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a secagem da mistura de pasta fluida para catodo.
  5. 5. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado
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    2/4 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. 6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a filtragem dos reagentes de fase líquida.
  7. 7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um reagente de fase líquida compreende um solvente.
  8. 8. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pré-mistura de fase sólida compreende um ou mais reagentes de fase sólida.
  9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente peneirar os reagentes de fase sólida a um tamanho de partícula uniforme.
  10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o reagente de fase sólida compreende um dióxido de manganês eletrolítico de moagem a jato.
  11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma pré-mistura de fase sólida compreende um óxido de metal de transição.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o óxido de metal de transição compreende dióxido de manganês.
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que um reagente de fase sólida compreende um alótropo de carbono.
  14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o alótropo de carbono compreende grafite.
  15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracteriza-
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    3/4 do pelo fato de que o grafite compreende negro de fumo.
  16. 16. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a pré-mistura de fase líquida compreende um aglutinante hidrofóbico.
  17. 17. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o aglutinante hidrofóbico compreende poliisobutileno (PIB).
  18. 18. Método, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o aglutinante hidrofóbico compreende um sólido de fluorocarboneto.
  19. 19. Método, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o sólido de fluorocarboneto compreende politetrafluoroetileno (PTFE).
  20. 20. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:
    obter uma estrutura laminar, em que a estrutura laminar tem um volume removido para formar uma cavidade, em que a estrutura laminar compreende uma primeira camada coletora de anodo laminada a um primeiro núcleo do construto laminar, e em que a estrutura laminar compreende um filme de anodo galvanizado e um filme separador depositado sobre o mesmo no interior da cavidade, em que o filme separador depositado é depositado como uma solução que compreende um solvente que evapora para formar um filme separador; e verificar uma qualidade da pré-mistura de fase sólida e da pré-mistura de fase líquida, em que a qualidade que é verificada é a distribuição de tamanho de partícula.
  21. 21. Catodo biocompatível, caracterizado pelo fato de que é fabricado pelo método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 20.
  22. 22. Invenção, caracterizada por quaisquer de suas concre-
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    4/4 tizações ou categorias de reivindicação englobadas pela matéria inicialmente revelada no pedido de patente ou em seus exemplos aqui apresentados.
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