CN104335399B - 用于蓄电装置的柔性电极 - Google Patents

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Abstract

一种装置(517)，包括电绝缘材料的柔性衬底(518)和导电聚合物，其中导电聚合物被柔性衬底(518)保持以一起形成蓄电装置(517)的电极的至少一部分，从而导电聚合物为蓄电装置(517)所生成的和/或所存储的电子提供电路径。

Description

用于蓄电装置的柔性电极
技术领域
本公开涉及柔性/可弯曲/可伸展电子设备、相关方法和装置的领域，并且特别涉及可以适合在可穿戴电子设备中使用的柔性/可弯曲和/可伸展蓄电装置。某些公开的示例方面/实施例涉及包括柔性和/或可伸展蓄电装置的便携式电子设备，特别是可以手持使用(尽管它们可以被放置在支架上使用)的所谓的手持式电子设备。这种手持式电子设备包括所谓的个人数字助理(PDA)。
便携式电子设备可以提供一个或多个音频/文本/视频通信功能(例如电信、视频通信、和/或文本传输、短消息服务(SMS)/多媒体消息服务(MMS)/电子邮件功能)，交互式/非交互式查看功能(例如网页浏览、导航、TV/程序查看功能)，音乐记录/播放功能(例如MP3或其它格式和/或(FM/AM)无线电广播记录/播放)，数据的下载/传送功能，图像捕捉功能(例如使用(例如内置的)数字照相机)，以及游戏功能。
背景技术
可穿戴(或舒适的)电子设备是其中电子设备被嵌入在服装(例如智能织物)中的新兴技术领域。为了保持服装的舒适，这种设备应该是软的、柔性的并且一定程度可伸展的。然而现存的大多数储能技术采用块(固体块)的形式。尽管存在薄膜柔性电池，但是这些设备的柔性由于电极材料的层离而相对受限。此外，当前可用的柔性电池均为不可伸展的。
在本文中所公开的装置和方法可以解决或可以不解决该问题。
在本说明书中对之前公开的文档或任何背景技术的列举或讨论未必视作承认文档或背景技术是现有技术的一部分或者是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例可以解决或者不解决一个或多个背景技术的问题。
发明内容
根据第一方面，提供一种装置，该装置包括电绝缘材料的柔性衬底和导电聚合物，其中导电聚合物被柔性衬底保持以一起形成蓄电装置的电极的至少一部分，从而导电聚合物为蓄电装置所生成的和/或所存储的电子提供电路径。
该装置可以被配置用于产生(例如经由氧化还原反应或插入(intercalation)机制)和/或存储电(例如经由电荷分离)。
柔性衬底可以包括多个交织纤维。导电聚合物可以通过被吸收到柔性衬底的纤维中来被柔性衬底保持。导电聚合物可以通过在柔性衬底的纤维上形成表面涂层来被柔性衬底保持。导电聚合物可以通过填充在柔性衬底的纤维之间的空间来被柔性衬底保持。
柔性衬底可以是织物材料。织物材料可以包括棉花、聚酯、尼龙和合成弹力纤维的一个或者多个。
导电聚合物可以包括聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚苯胺和聚吡咯中的一个或者多个。
根据又一方面，提供一种包括如以上描述的装置的蓄电装置。该蓄电装置可以包括第一电极和第二电极。以上描述的装置可以形成第一电极的至少一部分。
第二电极可以包括金属箔和导电织物材料中的一个或者多个。金属箔可以是锂金属箔。导电织物材料可以包括在多个交织纤维上支撑的一个或者多个银粒子、碳粒子、硅粒子和/或锂盐。
蓄电装置可以包括在第一与第二电极之间的电解质。术语“电解质”可以涵盖如在常规静电容器中使用的电绝缘材料(例如电介质)以及如在电解质电容器和超级电容器中使用的电离地传导材料。
电解质可以是液体或者凝胶电解质。电解质可以包括碳酸丙烯、氯化钾的水溶液、或者对柔性衬底和导电聚合物有化学抗性的任何电离地传导介质。凝胶电解质可以包括单价丙烯酸脂聚合物基质。
在使用液体电解质时，蓄电装置可以包括配置为防止在第一与第二电极之间的物理接触的分离器。分离器可以包括以下各项中的一项或者多项：棉花、聚酯、合成弹力纤维、聚酯弹性体、烃类弹性体或者任何其它绝缘、可伸展纤维。电解质可以被包含在分离器内(即分离器被浸泡在电解质中)。
第一电极和/或第二电极可以包括活性材料。术语“活性材料”可以视为意指参与蓄电装置的充电/放电机制的电极材料。例如在电池中，活性材料可以是参与电化学反应或插入机制的电极材料。另一方面，在超级电容器中，活性材料可以是参与电偶层的形成的电极材料。
活性材料可以包括以下各项中的一项或多项：碳纳米颗粒，碳纳米管，碳纳米角，碳纳米管网络，石墨烯，石墨烯薄片，金属纳米线，金属纳米线网，半导体纳米线，半导体纳米线网，以及金属氧化物纳米颗粒。在活性材料用于电池时，活性材料可以包括LiCoO2、LiFeO2、Li金属和石墨(优选为纤维形式)。活性材料可以是透光的。导电聚合物可以作为第一电极的活性材料工作。
柔性衬底、导电聚合物、活性材料、分离器和电解质中的一个或多个可以被配置为经受可逆伸展和/或弯曲。柔性衬底、导电聚合物、活性材料、分离器和电解质中的一个或多个可以被配置为经受高达20％、30％、50％或100％拉伸应变的可逆伸展。柔性衬底、导电聚合物、活性材料、分离器和电解质中的一个或多个可以被配置为经受45°、90°、135°或180°角度的可逆弯曲。柔性衬底、导电聚合物、活性材料、分离器和电解质中的一个或多个可以是充分地柔性和/或可伸展的，以使得蓄电装置适用于挠曲安装、伸展安装、动态伸展、和/或动态挠曲应用。
在未折曲和未伸展状态中，蓄电装置可以具有总体平坦的形式。柔性衬底、导电聚合物、活性材料、分离器和电解质中的一个或多个可以被配置为经受基本上平行于蓄电装置的平面的可逆伸展。柔性衬底、导电聚合物、活性材料、分离器和电解质中的一个或多个可以被配置为围绕基本上平行于蓄电装置的平面的轴线可逆弯曲。
蓄电装置可以是以下中的一个或者多个：电池(一次或二次电池)，电容器(静电的，电解质的，或超级电容器)，和电池-电容器混合体。
根据又一方面，提供了一种包括以上描述的蓄电装置的设备。该设备可以包括配置为响应于所施加的机械应变来发电的发电弹性体。蓄电装置可以被配置为存储发电弹性体所生成的电。发电弹性体可以被定位于蓄电装置的一侧或者两侧上。发电弹性体可以包括压电聚合物、电解质电活性聚合物(电解质弹性体)、铁电聚合物、电致伸缩接枝聚合物、液体晶体聚合物、离子电活性聚合物、电流变流体和离子聚合物-金属化合物中的一个或者多个。
设备可以是电子设备、便携式电子设备、便携式电信设备、以及用于任何前述设备的模块的一个或者多个。
根据另一方面，提供了一种包括以上描述的蓄电装置的服装物品。柔性衬底可以由服装物品的层形成。蓄电装置可以被附接到服装物品的层。蓄电装置可以通过被粘合或者缝合到服装物品的层上来附接到服装物品的层。
根据另一方面，提供了一种包括以上描述的蓄电装置的保护袋。柔性衬底可以由保护袋的层形成。蓄电装置可以被附接到保护袋的层。蓄电装置可以通过被粘合或者缝合到保护袋的层上来附接到保护袋的层。保护袋可以包括配置为感应耦合到设备的第二线圈的第一线圈。在第一线圈与第二线圈之间的感应耦合可以被配置为实现向设备传送生成的和/或蓄电装置存储的电能。
根据另一方面，提供了一种方法，该方法包括在电绝缘材料的柔性衬底上沉积导电聚合物，从而导电聚合物在沉积之后被柔性衬底保持以一起形成蓄电装置的电极的至少一部分，其中导电聚合物为蓄电装置所生成的和/或所存储的电子提供电路径。
在柔性衬底上沉积导电聚合物可以包括在柔性衬底上直接沉积预先形成的导电聚合物油墨。
在本文中所公开的任何方法的步骤不必以所公开的精确顺序执行，除非明确指出或者由本领域技术人员所理解。
用于执行一个或多个所公开的方法的对应的计算机程序也在本公开的范围内，并且由一个或多个所描述的示例性实施例所涵盖。
装置可以包括被配置为处理计算机程序的代码的处理器。处理器可以是微处理器，包括专用集成电路(ASIC)。
本公开包括孤立的或者以各种组合的一个或多个对应方面、示例性实施例或特征，不论是否具体陈述(包括要求保护)为组合或者孤立。用于执行一个或多个所讨论的功能的对应机制也在本公开的范围内。
上述发明内容仅意在示例性而并非限制性。
附图说明
现在参考附图仅借由示例来进行描述，其中：
图1a示意性示出了传统电池的放电过程；
图1b示意性示出了传统电池的充电过程；
图2a示意性示出了锂离子电池的放电过程；
图2b示意性示出了锂离子电池的充电过程；
图3a示意性示出了超级电容器的充电过程；
图3b示意性示出了超级电容器的放电过程；
图4a示意性示出了锂离子电容器的充电过程；
图4b示意性示出了锂离子电容器的放电过程；
图5a示意性示出了根据第一实施例的可逆柔性和/或可伸展的储能单元；
图5b示意性示出了根据第二实施例的可逆柔性和/或可伸展的储能单元；
图5c示意性示出了根据第三实施例的可逆柔性和/或可伸展的储能单元；
图6a示意性示出了导电聚合物已经被吸收到其中的柔性衬底的纤维；
图6b示意性示出了已经用导电聚合物涂覆的柔性衬底的纤维；
图6c示意性示出了柔性衬底的多个纤维，该柔性衬底包括在多个纤维之间的空间中的导电聚合物；
图7a示意性示出了可以向可逆柔性和/或可伸展的储能单元施加的不同类型的拉伸应力；
图7b示意性示出了可逆柔性和/或可伸展的储能单元可以绕着平行于储能单元的平面的轴线弯曲的程度；
图8示意性示出了包括发电弹性体的可逆柔性和/或可伸展的储能单元；
图9a示意性示出了包括可逆柔性和/或可伸展的储能单元的服装物品；
图9b示意性示出了包括可逆柔性和/或可伸展的储能单元的保护袋；
图10a示意性示出了可逆柔性和/或可伸展的储能单元，其中柔性衬底由图9a的服装物品的织物层或者由图9b的保护袋的织物层形成；
图10b示意性示出了可逆柔性和/或可伸展的储能单元，其中柔性衬底附着到图9a的服装物品的织物层或者图9b的保护袋的织物层；
图11a示意性示出了串联连接的可逆柔性和/或可伸展的储能单元的堆叠；
图11b示意性示出了并联连接的可逆柔性和/或可伸展的储能单元的堆叠；
图12示意性示出了包括可逆柔性和/或可伸展的储能单元的设备；
图13示意性示出了制作可逆柔性和/或可伸展的储能单元的第一电极的方法；
图14示意性示出了提供程序的计算机可读介质，该程序用于控制制作可逆柔性和/或可伸展的储能单元的第一电极的方法；
图15a在横截面中示意性示出了电介质弹性体；
图15b在平面图中示意性示出了电介质弹性体；以及
图16示意性示出了与电介质弹性体关联的能量转换原理。
具体实施方式
在电子电路中，电池和电容器用于向其它部件提供电能。然而这些电源以完全不同的方式运行。
电池使用电化学反应以产生电。传统电池的放电过程在图1a中示出。电池包括由电解质101分隔的两个电端子(电极102、103)。电池也可以包括分离器110以防止电极之间的直接物理接触，当使用液体电解质时这是特别重要的。在负电极(阳极102)处，发生产生电子的氧化反应。这些电子绕着从阳极102至负电极(阴极103)的外部电路105(如箭头104指示)流动，从而在阴极103处引起发生还原反应。电子的流动可以用于对外部电路105中的一个或多个电部件106供电。氧化和还原反应可以继续，直至反应物完全转换。但是重要的，除非电子能够从阳极102经由外部电路105流至阴极103，否则无法发生电化学反应。这允许电池长时间存储电能。当电子绕着从阳极102至阴极103的外部电路流动时，在阴极103周围的电解质101中发展了负电荷云，而在阳极102周围的电解质101中发展了正电荷云。在电解质101中的正离子107和负离子108移动以中和这些电荷云，从而允许反应以及电子的流动继续。在没有来自电解质101的离子107、108的情况下，每个电极102、103周围的电荷云将抑制电力的产生。
一次电池是其中电化学反应不可逆的任何类型的电池。这些电池用作一次性电池。另一方面，采用二次电池，电化学反应是可逆的，意味着化学反应物可以恢复至它们的原始状态。这些用作可再充电电池。图1b中示出了传统可再充电电池的充电过程。为了对电池进行充电，在阳极102和阴极103之间施加电势差。充电器109的正端子从阴极103夺去电子并且将它们返回至阳极102(由箭头111指示)，从而在电极-电解质界面处诱导了化学反应。此外，为了补偿电荷转移，在电解质101中的正离子107和负离子108在电极102、103之间沿与之前相反的方向而移动。
由电池产生的电流和电压与用于电极和电解质的材料直接相关。材料相对于另一材料损失或者获取电子的能力已知为其电极电势。氧化剂和还原剂的强度由它们的标准电极电势指示。具有正电极电势的材料用于形成阳极，而具有负电极电势的那些用于形成阴极。阳极和阴极电势之间的差值越大，则可以由电池产生的电能量也越大。
锂出现在电化学序列的顶部(大的负电极电势)，表明其是最强的还原剂。同样，氟出现在电化学序列的底部(最大的正电极电势)，表明其是最强的氧化剂。作为锂的高电极电势的结果，锂电池能够产生接近4V的电压，在锌-碳或碱性电池电压的两倍之上。取决于对于阳极、阴极和电解质的材料的选择，可以显著改变锂电池的电流、电压、容量、寿命和安全性。最近，已经采用新颖架构以改进这些电池的性能。纯锂是非常易反应的，并且将与水剧烈反应以形成氢氧化锂和氢气。为此原因，使用非水性电解质，并且使用密封容器从电池组严格排除水。
也就是说，因为锂与多个阴极和非水性电解质的低反应活性，所以存在上述许多不同的锂电池。术语“锂电池”涉及一系列不同的化学物，包括锂金属或锂化合物作为阳极而对于阴极和电解质采用许多不同材料。多孔碳材料通常用作阴极电荷收集器以从外部电路接收电子。
锂离子电池是使用锂离子“嵌入”机制而不是传统的氧化还原反应的不同类型的可再充电电池。这涉及当离子在充电和放电期间在电极之间来回穿梭时将锂离子插入和抽出电极的晶体结构。为了实现这一点，电极需要开放的晶体结构，允许插入和提取锂离子，以及同时接受补偿电子的能力。这样的电极称作“嵌入受主”。锂离子电池当前是用于便携式电子设备的最受欢迎类型的电池的一种，因为它们展现出最佳能量-重量比、没有记忆效应、当不使用时缓慢电荷损耗中的一个特性。此外，因为锂离子电池包括锂化合物电极而非锂金属电极(其是高度易反应的)，所以它们比锂金属电池天生地更安全。
在典型的锂离子电池中，阳极由碳制成，阴极是金属氧化物，而电解质是在有机溶剂中的锂盐。在商业上，最流行的阳极材料是石油墨，并且阴极通常是如下三种材料中的一种：层状氧化物(诸如氧化锂钴)，基于聚阴离子的一种(诸如磷酸锂铁)，或尖晶石(诸如氧化锂锰)。电解质通常是有机碳酸酯的混合物，诸如包含了锂离子复合物的碳酸次乙酯或碳酸二乙酯。这些非水性电解质通常包括非配位的阴离子盐，诸如六氟磷酸锂(LiPF6)、六氟砷酸锂一水合物(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)、四氟硼酸锂(LiBF4)和三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)。
图2a和图2b分别示意性示出了锂离子电池的放电和充电过程。如图所示，阳极202和阴极203均包括沉积在电荷收集衬底214顶部上的开放晶体嵌入材料213。在放电期间，锂离子212从阳极202被提取，跨电解质201迁移，并且插入阴极203的晶体结构中。与此同时，补偿电子行进在外部电路中(沿由箭头240指示的方向)，并且由阴极203接受以对反应进行平衡。该过程是可逆的。在充电期间，外部电源(充电器209)在电极202、230之间施加电势差，迫使电子沿相反方向行进(由箭头211指示)。锂离子212随后从阴极203被提取，跨电解质201迁移，并且插入回至阳极202的晶体结构中。
在锂离子电池中，锂离子被传输至阴极和阳极以及从阴极和阳极被传输，其中在充电期间LixCoO2中的过渡金属钴(Co)从Co3+氧化至Co4+，并且在放电期间从Co4+还原至Co3 +。对于包括石油墨阳极和氧化锂钴阴极的锂离子电池的阳极和阴极半反应如下：
阳极方程1
阴极方程2
然而总反应具有其限制。对锂离子电池过度放电可以使得氧化锂钴过度饱和，导致由以下不可逆反应而形成氧化锂：
Li++LiCoO2→Li2O+CoO 方程3
而对锂离子电池过度充电可以导致由以下不可逆反应而合成Co4+：
LiCoO2→Li++CoO2 方程4
与电池相反，电容器静电地存储电荷，并且不能产生电。已知为“超级电容器”(也已知为电偶层电容器、超级电容器、伪电容器、以及电化学双层电容器)的相对较新型的电容器提供比传统的或电解质电容器更多的电能存储，并且对于便携式电子应用变得越来越受欢迎。
图3a和图3b分别示意性示出了超级电容器的充电和放电过程。超级电容器具有阴极303和阳极302，阴极303和阳极302均包括导电极板314(电荷收集器)，阴极303和阳极302由电解质301分隔。当使用液体电解质时，超级电容器也可以包括分离器310以防止阴极和阳极之间的直接物理接触。极板314涂覆多孔材料315(诸如粉末碳)以增大它们表面积以用于存储更多电荷。当电源(充电器)在电极302、303之间施加电势差时，电解质301变得极化。阴极303上的电势吸引电解质301中的负离子308，而阳极302上的电势吸引正离子307.
不同于电池，施加的电势保持低于电解质301的击穿电压以防止在电极302、303的表面处发生电化学反应。为此原因，超级电容器无法像电化学电池那样产生电力。此外，在没有发生电化学反应的情况下，没有产生电子。结果是，没有显著的电流可以在电解质301与电极302、303之间流动。替代地，溶液中的离子307、308将它们自身布置在电极302、303的表面处以镜像表面电荷316，并且形成绝缘的“电偶层”。在电偶层(也即表面电荷316的层和离子307、308的层)中，表面电荷316和离子307、308的分离在纳米量级。电偶层与在极板314表面上使用高表面积材料315的组合允许巨量电荷载流子被存储在电极-电解质界面处。
为了对超级电容器放电，在带电的电极302、303之间形成电连接305，从而导致电子从阳极经由外部电路流至阴极(如箭头304所指示的)。该电荷的流动可以用于对外部电路305中的一个或多个电部件306供电。
超级电容器具有超越电池的数个优点，因而已经倾向于在许多应用中替代了电池。它们通过提供大突发电流以向设备供电并且随后对它们快速地再充电而实现功能。它们的低内部电阻、或者等效串联电阻(ESR)允许它们递送以及吸收这些大电流，而传统化学电池的更高内部电阻可以使得电池电压崩溃。此外，当电池通常需要长充电周期时，超级电容器可以非常快速地再充电，通常在几分钟内。它们也保留了能够比电池保持电荷更长时间的能力，即便在多次充电之后。当与电池组合时，超级电容器可以消除通常发生在电池上的瞬时能量需求，由此增长了电池寿命。
然而电池通常需要维护并且仅可以在小温度范围内工作良好，而超级电容器可以无需维护并且在宽温度范围之上工作良好。超级电容器也具有比电池更长的寿命，并且构造为坚持到最后至少直至它们用于供电的电子设备的寿命。另一方面，通常需要在设备寿命期间数次更换电池。
然而超级电容器也不是没有缺点。尽管能够存储比传统和电解质电容器更多量的电能，但是由超级电容器单位重量存储的电能远小于电化学电池。此外，超级电容器的操作电压受限于电解质击穿电压，这对于电池而言不是问题。
锂离子电池具有所有系统的最高能量密度，而超级电容器具有最高功率密度和寿命。近期，已经研发出称作锂离子电容器的新型混合储能设备，其目的在于整合锂离子电池和超级电容器的优点。锂离子电容器的阴极采用激活碳，在此处电荷被存储为在碳与电解质之间界面处的电偶层，类似于超级电容器。另一方面，阳极由采用锂离子预掺杂的纳米结构嵌入材料制成，类似于锂离子电池。该预掺杂工艺降低了阳极电势并且导致高电池输出电压。通常，锂离子电容器的输出电压在3.8V至4V的范围内。结果，锂离子电容器具有高能量密度。
此外，阳极的容量比阴极的容量高数个数量级的幅度。结果是，在充电和放电期间阳极电势的改变远小于阴极电势的改变。嵌入阳极也可以与嵌入阴极耦合，诸如LiCoO2或LiMn2O4，以增大锂离子电容器的功率。用于锂离子电容器的电解质通常为锂离子盐溶液，并且分离器可以用于防止阳极与阴极之间的直接物理接触。
图4a和图4b分别示意性示出了锂离子电容器的充电和放电过程。锂离子电容器的行为几乎与超级电容器相同，并且因此图4a和图4b的附图标记对应于图3a和图3b中的类似特征。然而两个系统之间主要差别在于，替代当设备充电时电解质401中的正离子将它们自身布置在电极-电解质界面处以形成电偶层，锂离子412将它们自身插入(嵌入)在阳极402的晶体结构413中。因此，类似于锂离子电池，锂离子电容器经受了快速电化学反应并且并非简单地依赖于电偶层的形成来存储电荷。
如背景技术部分中所述，当前可用的储能电池不能满足可穿戴电子设备的实际需求，因为用于形成这些电池的材料不足够柔性和/或可伸展。现在将描述一种可以提供对这一问题的解决方案的装置和关联方法。
图5a-c示出蓄电装置517(该蓄电装置可以是电池、电容器或者电池-电容器混合)的不同实施例，该蓄电装置517包括被电解质520分离的第一电极518和第二电极519。蓄电装置517的第一电极518包括电绝缘材料的柔性(并且可能也可伸展的)衬底和导电聚合物。导电聚合物被柔性衬底以如下方式保持：使得导电聚合物为蓄电装置517所生成和/或存储的电子提供电路径(即导电聚合物充当第一电极518的电荷收集器)。适当导电聚合物的示例包括聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)、聚苯胺和聚吡咯。
柔性衬底可以是包括多个交织纤维的织物材料(例如棉花、聚酯、尼龙或者合成弹力纤维)。织物材料的使用出于多个原因而有利于形成蓄电装置517的电极518。首先，织物材料是柔性和可伸展的。这些性质允许蓄电装置517被结合到服装物品以及现代电子设备的越来越小的外壳中。其次，织物材料通常由于它们的交织性质而具有高表面积。这一特征可以用来通过允许电解质520与更大量活性电极材料相互作用来增加蓄电单元的存储密度。第三，织物材料有吸收性。这一性质可用于保持导电聚合物以便形成从电解质520经过电极518的整个厚度到外部电路(未示出)的电路径。
织物材料可以根据所使用的具体材料而以不同方式保持导电聚合物。例如，导电聚合物625可以被吸收到织物材料的纤维624中(图6a)，它可以在织物材料的纤维624上形成表面涂层(图6b)和/或它可以填充在织物材料的纤维624之间的空间(图6c)。
蓄电装置517的第二电极519可以由多个不同材料形成，假如它允许蓄电装置517的弯曲和/或伸展。在图5a中所示实施例中，蓄电装置517的第二电极519包括金属箔(例如锂金属箔)，而在图5b中所示实施例中，蓄电装置517的第二电极包括导电织物材料。导电织物材料可以包括在多个交织纤维上支撑的一个或者多个银粒子、碳粒子、硅粒子和/或锂盐(例如)。对于可伸展应用，图5a的金属箔可以用一个或者多个金属曲折(meander)来替换以允许更大拉伸应变。
蓄电装置517的每个电极518、519包括参与蓄电装置517的充电/放电机制的活性材料。在电池中，例如，活性材料是参与电化学反应或插入机制的电极材料。另一方面，在超级电容器中，活性材料是参与形成电偶层的电极材料。为了使得蓄电装置517可逆伸展，第一和第二电极的活性材料也应该是可逆可伸展的。导电聚合物可以作为第一电极518的活性材料工作(以及作为电荷收集器工作)，或者除了导电聚合物之外，分离的活性材料也可以被结合到织物材料中。在后一种场景中，分离的活性材料(如同导电聚合物一样)可以被吸收到织物材料的纤维中，它可以在织物材料的纤维上形成表面涂层和/或它可以填充在织物材料的纤维之间的空间。然而是否需要分离的活性材料将依赖于蓄电装置517的具体化学作用。
在图5a和5b中，电解质520是凝胶而不是液体的形式。使用凝胶电解质520的优点在于，取决于凝胶的粘度，可以无需分离器(用于防止在第一电极518与第二电极519之间的物理接触以及因此防止电短路)。另一方面，图5c示出了包括液体电解质522和分离器523的蓄电装置517。在实践中，如果分离器523充分地有吸收性，则液体电解质522可以被包含于分离器523内(即被浸透到分离器523中)。对于柔性和/或可伸展储能单元，重要的是分离器523(或者凝胶电解质520)也是可逆柔性和/或可伸展的。使用的电解质520、522将取决于电池的具体化学作用。然而合适分离器523包括诸如棉的织物，聚酯或莱卡，由含氟弹性体制成的多孔弹性体隔膜，聚酯弹性体或烃类弹性体。
图7a中的箭头示出了可以施加至蓄电装置717以诱导拉伸应变的力的方向。当施加力F1和-F1时，蓄电装置717经受在电池平面中的可逆伸展(假定蓄电装置717具有总体平坦的形式)。这具有减小蓄电装置717厚度的效果。在另一方面，当施加力F2和-F2时，蓄电装置717经受垂直于电池平面的可逆伸展。这具有增大蓄电装置717厚度的效果。此外，当施加力F3和-F3时，蓄电装置717经受剪切应变。在该情形中，第一电极718和第二电极719可以相对于彼此而横向移动(即平行于电池的平面)。然而，假设电极718、719保持与电解质720接触，则电极718、719的相对横向移动不应不利地影响蓄电装置717的操作。
除了经受可逆伸展之外，蓄电装置717可以被配置为经受可逆弯曲(挠曲)，如图7b中所示。蓄电装置717可以弯曲的范围将取决于各个构成层的数目和柔性。在一些情形中，蓄电装置717可以相对于电池平面被弯曲至45°、90°、135°或180°的角度(弯曲角度)。
蓄电装置817也可以包括发电弹性体826，如图8中所示。发电弹性体826(也称为电活性聚合物)。发电弹性体826(也称为电活性聚合物)在施加的机械应力可以用来创建电势差的意义上与压电材料相似。不同于通常刚性的压电材料，发电弹性体826可以是可弯曲和/或可伸展是。这一性质使它们适合用于可穿戴电子设备。
将适合用于本装置的一个类型的发电弹性体是电介质弹性体1526。图15a和15b分别在横截面图和平面图中示出了电介质弹性体1526。如图15a中所示，电介质弹性体1526包括夹在两个顺应电极1541、1542之间的聚合材料1540(比如硅树脂、聚亚氨酯或者丙烯酸)。从电观点来看，电介质弹性体1526形成平行板电容器，其中电极1541、1542是平行板，并且聚合物1540是在它们之间的电介质材料。在电介质弹性体1526被弯曲和/或伸展时，电容器的面积A(图15b中所示)和厚度t(图15a中所示)改变，从而引起结构1526的电容的变化。
在图16中图示与电介质弹性体1626关联的能量转换原理。从初始状态开始，拉伸力±F1被施加到结构1626从而引起电容器的面积A的增加和电容器的厚度t的减少。机械能被聚合物1640的弹性转换成势能。一旦结构1626被完全地伸展，电荷便可以通过施加在堆叠两端的电势差V而被放置于电极1641、1642上。放置于电极1641、1642上的电荷的量被聚合物1640的击穿场极限所限制。在拉伸力±F1随后被去除时，结构1626收缩。这引起电容器的面积A的减少和电容器的厚度t的增加。在结构1626的收缩期间，在相反电极1641、1642上的电荷被进一步推开(假定聚合物160的厚度增加)，并且在每个电极1641、1642上的电荷被推动在一起接近(假定电极1641、1642的面积A减少)。聚合物1640中的弹性应力因此抵抗电荷引起的电场压力而工作，从而造成系统的静电势能增加。一旦结构1626已经完全地缩回，电能可以被部分地或者完全地去除。电能可以用来向一个或者多个设备部件1643供电或者可以用来对蓄电装置进行充电。
除了以上描述的其中电极1641、1642包括恒定量的电荷的能量收获循环之外，也可以使用两个其它循环(称为恒定电压和恒定电场能收获循环)。可以在标题为“Energyharvesting using dielectric elastomers”(B.Czech等，Proceedings of the 14thInternational Power Electronics and Motion Control Conference,EPE-PEMC 2010,S4-18)和“Multilevel high voltage converter driving dielectric elastomergenerators”(C.Graf等，Proceedings of the 14th European Power Electronics andApplications Conference,EPE 2011,1)的研究公开文本中发现这些循环的细节，这两份公开文本通过引用而被结合于此。也可以使用这些循环中的任何循环的变化。
在图8中，该结构包括与蓄电装置817的第一电极818和第二电极819相邻的发电弹性体层826而能量收获电路827被定位于每个发电弹性体层826与相应电极818、819之间(尽管能量收获电路827可以被定位于每个发电弹性体层826的外表面上)。能量收获电路827用来向相邻的发电弹性体层826的电极1641、1642施加电势(即为了控制发电弹性体826的充电)以及向蓄电装置817或者一个或者多个设备部件传送发电弹性体826所生成的能量(即为了控制发电弹性体826的放电)。在实践中，该结构可以包括任何数目的发电弹性体层826(甚至仅一层)。此外，单个能量收获电路827可以足以控制发电弹性体826的所有层的充电和放电。
可穿戴电子设备的整个概念在于，完全功能的电子部件和设备可以集成在服装物品内而对于织物的柔性和可伸展性具有最小影响。在本文中所描述的柔性和/可伸展储能单元可以能够满足该需求。图9a示出了包括储能单元917的t恤衫933。如图10a中所示，t恤衫织物1035本身可以形成第一电极的柔性衬底(即蓄电装置917与t恤衫933集成)。在另一方面，第一电极1018的柔性衬底可以如图10b中所示附着到t恤衫织物1035(即蓄电装置917被翻新成t恤衫933)。在后一种情况下，储能单元917可以通过粘合、热附接、或者缝合储能单元917至织物层1035来附接至织物层1035。
除了服装物品之外，蓄电装置917也可以被集成于其它基于织物的物品内(图10a)或者附接到其它基于织物的物品(图10b)。一个示例是如图9b中所示的用来保护便携式电子设备(比如移动电话和mp3播放器)免受刮擦的保护袋934。这样的保护袋934通常由织物材料形成并且可以通过使用拉带来打开和闭合。通过在保护袋934中包括蓄电装置917，保护袋934可以在便携电子设备的电池用尽电荷的情况下用作便携式电子设备的备用电功率源。在这一场景中，保护袋934的蓄电装置917可以用来向便携式电子设备直接供电和/或可以用来对便携式电子设备的电池进行再充电。
蓄电装置917可以经由有线或者无线连接来连接到便携式电子设备。关于无线连接，保护袋934和便携式电子设备可以被配置为相互感应耦合。为了实现这一点，保护袋934(如图9b中所示)和便携式电子设备将各自需要感应线圈931。然后可以经过保护袋934的感应线圈931传递(使用由保护袋934的蓄电装置917生成的电势差而产生的)交变电流以在便携式电子设备的感应线圈附近生成交变电磁场。电磁场将在便携式电子设备的感应线圈中生成可以用来向便携式电子设备供电或者对便携式电子设备的电池进行充电的交变电流。
除了可穿戴电子设备之外，本装置通常也可以用于现代电子设备中。在现代设备中，小型化是重要因素，并且现有技术的电池和超级电容器并未足够满足尺寸需求。在本文中所描述的蓄电装置可以提供对该问题的解决方案。柔性安装和动态柔性电路板变得越来越普通。柔性安装涉及在设备组装期间弯曲或者折叠、但是在设备寿命期间经受最小挠曲的电路板(例如柔性印刷电路(FPC)板)。然而如果电路板足够耐用，其也可以适用于其中需要在设备组装期间和之后弯曲电路板的动态柔性应用。可伸展设备也可能需要可以在设备组转期间和/或之后(也即伸展安装和/或动态伸展应用)经受伸展的电路板。本装置可以允许该概念扩展至设备的储能单元，其可以弯曲或伸展以便于安装在设备外壳的最小部分内。可伸展储能单元甚至可以被附接至设备的FPC板。
考虑到电池和电容器用于向设备中的其它电子部件供电，电池/电容器的电特性(例如操作电流、电压、电阻、电容等等)是重要的考虑因素。通常，超级电容器的最大操作电压受限于电解质的击穿电压(对于水性电解质约1.1V，对于有机电解质约2.3V)，而电池的最大操作电压受限于用于电化学反的活性材料。为了增大储能单元1117(电池或电容器)的操作电压，数个单元1117可以串联连接(例如作为储能单元1117的堆叠)，如图11a所示。串联连接的三个储能单元的总电压由Vtotal＝V1+V2+V3给出，其中Vn是相应单元的操作电压。当串联连接时，总电流由Itotal＝I1＝I2＝I3给出，总电阻由Rtotal＝R1+R2+R3给出，而总电容(对于超级电容器)由Ctotal＝1/C1+1/C2+1/C3给出，其中In、Rn和Cn是相应单元的操作电流、电阻值和电容。
另一方面，数个单元1117可以并联连接(例如作为储能单元1117的堆叠)，如图11b所示。在该配置结构中，总电压由Vtotal＝V1＝V2＝V3给出，总电流由Itotal＝I1+I2+I3给出，总电阻由Rtotal＝1/R1+1/R2+1/R3给出，以及总电容(对于超级电容器)由Ctotal＝C1+C2+C3给出。
图12示意性示出了包括在本文中所描述的蓄电装置1217的设备1228。设备1228也包括处理器1229、存储介质1230和感应线圈1231，该处理器、该存储介质和该感应线圈通过数据总线1232彼此电连接。设备1228可以是电子设备，便携式电子设备，便携式电信设备，或者用于任何前述设备的模块。
蓄电装置1217被配置为产生和/或存储电能，该电能可以用于向设备1228的一个或多个部件供电。蓄电装置1217被配置为经受可逆挠曲和/或伸展，以及可以被附接至设备1228的FPC板。
处理器1229被配置为通过向其它设备部件发送信令或者从其它设备部件接收信令以管理它们的操作而用于设备1228的总体操作。
存储介质1230被配置为存储被配置用于执行、控制或实现蓄电装置1217的操作的计算机代码。存储介质1230也可以被配置为存储对于其它设备部件的设置。处理器1229可以访问存储介质1230以取回部件设置以便于管理设备部件的操作。特别地，存储介质1230可以包括用于对蓄电装置1217充电的电压设置。存储介质1230可以是诸如易失性随机存取存储器的临时存储介质。另一方面，存储介质1230可以是诸如硬盘驱动器、闪存或非易失性随机存取存储器的永久存储介质。
感应线圈1231被配置为感应耦合到外部装置(例如图9b中所示的保护带934)的感应线圈。以这一方式，电功率可以经由电磁场从外部装置被传送到设备1228。电功率可以用来向设备1228的一个或者多个部件直接供电，或者它可以用来对蓄电装置1217进行充电(该蓄电装置又可以用来向设备1228的一个或者多个部件供电)。
在图13中示意性示出了用于制造蓄电装置的第一电极的方法的主要步骤1336-1338。实质上，导电聚合物以这样的方式被沉积到第一电极的柔性衬底上，使得导电聚合物在沉积之后被柔性衬底保持。导电聚合物的沉积可以涉及向柔性衬底上直接喷洒导电聚合物油墨或者将柔性衬底浸入导电聚合物油墨的浴液中。在柔性衬底包括多个交织纤维时，聚合物可以在纤维被交织为形成柔性衬底之前被沉积(例如通过喷洒或者浸入)到每个纤维上。
图14示意性示出了根据一个实施例的提供计算机程序的计算机/处理器可读介质1439。在该示例中，计算机/处理器可读介质1439是诸如数字化通用碟盘(DVD)或光盘(CD)的光盘。在其它实施例中，计算机/处理器可读介质1439可以是以执行本发明功能的方式而编程的任何介质。计算机/处理器可读介质1439可以是诸如存储棒或存储卡(SD，迷你SD或微型SD)之类的可移除存储设备。
计算机程序可以包括被配置用于执行、控制或实现以下操作的计算机代码：在电绝缘材料的柔性衬底上沉积导电聚合物，从而导电聚合物在沉积之后被柔性衬底保持以一起形成蓄电装置的电极的至少一部分，其中导电聚合物为蓄电装置所生成和/或存储的电子提供电路径。
附图中所描绘的其它实施例已经被提供有对应于之前所述实施例的类似特征的附图标记。例如，特征编号1也可以对应于编号101、201、301等等。这些编号特征可以出现在附图中但是可以不直接涉及这些特定实施例的描述。已经在附图中提供了这些附图标记以帮助理解其它实施例，特别是涉及之前所述类似实施例的特征。
本领域读者应该理解的是，可以由被布置为使得它们被配置为仅当使能(例如接通)等时执行所需操作的装置提供任何所述装置/设备/服务器和/或特别提到的装置/设备/服务器的其它特征。在这些情形中，它们可以不必具有在非有效状态(例如关断状态)下被加载到主动式存储器中的合适软件以及仅在有效状态(例如导通状态)下加载合适的软件。装置可以包括硬件电路和/或固件。装置可以包括被加载到存储器上的软件。这些软件/计算机程序可以记录在相同存储器/处理器/功能单元上和/或在一个或多个存储器/处理器/功能单元上。
在一些实施例中，特别提到的装置/设备/服务器可以采用合适的软件预编程以执行所需操作，并且其中合适的软件可以被使能以用于用户下载“密钥”例如以解锁/使能软件及其相关功能。与这些实施例相关联的优点可以包括当设备需要其它功能时减少下载数据的需要，并且这在其中认识到设备具有足够容量以存储这种预编程软件以用于用户可以不使能的功能的示例中是有用的。
应该理解的是，任何提到的装置/电路/元件/处理器除了所提到的功能之外可以具有其它功能，以及这些功能可以由相同的装置/电路/元件/处理器来执行。一个或多个所公开的方面可以涵盖记录在合适载体(例如存储器、信号)上的相关计算机程序和计算机程序(其可以是源/传输编码的)的电子分布。
应该理解的是，在本文中所描述的任何“计算机”可以包括可以位于或者不位于相同电路板上、或者电路板的相同区域/位置上或者甚至相同设备上的一个或多个个体处理器/处理元件的汇集。在一些实施例中，一个或多个任何所述处理器可以分布在多个设备之上。相同或不同的处理器/处理元件可以执行一个或多个在本文中所描述的功能。
应该理解的是，术语“信令”可以指代作为一系列所传输和/或所接收信号被传输的一个或多个信号。信号的系列可以包括一个、两个、三个、四个或者甚至更多个体信号分量或者明确有区别信号以构成所述传送信号。这些个体信号的一些或所有可以同时、顺序和/或使得它们暂时彼此重叠而被发射/接收。
参照对任何所提到的计算机和/或处理器和存储器(例如包括ROM、CD-ROM等)的任何讨论，这些可以包括计算机处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA)和/或已经编程以执行本发明功能的其它硬件部件。
申请人在此单独公开了在本文中所描述的每个个体特征以及公开了两个或多个这些特征的任意组合，在本领域技术人员的公知常识教导下能够基于本说明书执行这些特征或组合，不论这些特征或特征的组合是否解决了在本文中所公开的任何问题，以及不限于权利要求的范围。申请人指示了所公开的方面/实施例可以由任何这样的个体特征或特征组合而构成。由于之前说明书，对于本领域技术人员明显的是可以在本公开的范围内做出各种修改。
尽管已经示出和描述并且指出了所应用于其不同实施例的基本创新性特征，但是应该理解的是，可以由本领域技术人员不脱离本发明的精神而对所述设备和方法的形式和细节做出各种省略、替换和改变。例如，明确有意的是以基本上相同方式执行相同功能以获得相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合落入本发明的范围内。此外，应该理解的是结合任何所公开的形式或实施例示出和/或描述的特征和/或元件和/或方法步骤可以包含在任何其它所公开或描述或建议的形式或实施例中作为设计选择的通常主题。此外，在权利要求中，功能性限定权项已在覆盖如执行所述功能的在本文中所描述的结构、以及不仅是结构性等价形式而且还是等价结构。因此尽管钉子和螺钉可以不是结构等价形式，其中钉子采用圆柱形表面以将木质部件固定在一起而螺钉采用螺旋表面，但是在固定木质部件的环境中，钉子和螺钉可以是等同结构。

Claims (19)

1.一种电子装置，包括：
电绝缘材料的柔性衬底；
导电聚合物；
发电弹性体，被配置为响应于所施加的机械应变来发电；以及
能量收获电路，被定位成与所述导电聚合物相邻并且接触以及与所述发电弹性体相邻并且接触；
其中所述导电聚合物被所述柔性衬底保持以一起形成蓄电装置的电极的至少一部分，从而所述导电聚合物为所述蓄电装置所生成的和/或所存储的电子提供电路径；
其中所述柔性衬底包括多个交织纤维；并且
其中所述柔性衬底被配置为经受可逆弯曲和/或可逆伸展。
2.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述导电聚合物通过被吸收到所述柔性衬底的所述纤维中而被所述柔性衬底保持。
3.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述导电聚合物通过在所述柔性衬底的所述纤维上形成表面涂层而被所述柔性衬底保持。
4.根据权利要求1所述的电子装置，其中所述导电聚合物通过填充所述柔性衬底的所述纤维之间的空间而被所述柔性衬底保持。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电子装置，其中所述导电聚合物用作所述电极的活性材料。
6.一种蓄电装置，包括根据权利要求1至5中任一项所述的电子装置，其中所述蓄电装置包括第一电极和第二电极，以及其中根据权利要求1至5中任一项所述的电子装置形成所述第一电极的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的蓄电装置，其中所述蓄电装置是电池、电容器和电池-电容器混合体中的一个或者多个。
8.一种设备，包括根据权利要求6所述的蓄电装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述蓄电装置被配置为存储所述发电弹性体所生成的电。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述发电弹性体被定位于所述蓄电装置的一侧或者两侧上。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述发电弹性体包括电介质弹性体。
12.根据权利要求8所述的设备，其中所述设备是电子设备或者所述电子设备的模块。
13.根据权利要求8所述的设备，其中所述设备是便携式电子设备或者所述便携式电子设备的模块。
14.根据权利要求8所述的设备，其中所述设备是便携式电信设备或者所述便携式电信设备的模块。
15.一种服装物品，包括根据权利要求6所述的蓄电装置。
16.一种保护袋，包括根据权利要求6所述的蓄电装置。
17.根据权利要求16所述的保护袋，其中所述保护袋包括被配置为感应耦合到设备的第二线圈的第一线圈，并且其中所述第一线圈与所述第二线圈之间的所述感应耦合被配置为实现向所述设备传送所述蓄电装置所生成的和/或所存储的电能。
18.一种用于制造电子装置的方法，包括：
在电绝缘材料的柔性衬底上沉积导电聚合物，从而所述导电聚合物在沉积之后被所述柔性衬底保持以一起形成蓄电装置的电极的至少一部分，其中所述柔性衬底包括多个交织纤维，并且其中所述导电聚合物为所述蓄电装置所生成的和/或所存储的电子提供电路径；
在所述电极上沉积能量收获电路，所述能量收获电路与所述导电聚合物相邻并且接触；以及
沉积发电弹性体，所述发电弹性体被配置为响应于所施加的机械应变来发电，所述发电弹性体被布置成与所述能量收获电路相邻并且接触；
其中所述柔性衬底被配置为经受可逆弯曲和/或可逆伸展。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在所述柔性衬底上沉积所述导电聚合物包括在所述柔性衬底上直接沉积预先形成的导电聚合物油墨。
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