CN105390661A - 用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法 - Google Patents

用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法 Download PDF

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F.A.弗里特施
J.戈扎勒兹
D.B.奧特斯
R.B.普格
J.D.里亚尔
A.托纳
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Johnson and Johnson Vision Care Inc
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Abstract

本发明题为用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法。本发明描述了形成生物相容性通电元件的方法和设备。在一些实例中，形成生物相容性通电元件的方法和设备涉及形成包括活性阴极化学物质的腔。阴极和阳极的活性元件利用生物相容性材料密封。在一些实例中，该方法和设备的使用领域可包括需要通电元件的任何生物相容性装置或产品。

Description

用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2014年8月21日提交的美国临时申请62/040178的权益。
背景技术
1.技术领域
本发明描述了用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法。在一些实例中，该方法涉及制造电导体，电流通过该电导体进入或离开真空或流体。在一些实例中，用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法的使用领域可包括需要能量的任何生物相容性装置或产品。
2.相关领域描述
近来，医疗装置的数量开始快速增长并且其功能不断完善。这些医疗装置可包括例如植入式起搏器、监测和/或测试生物功能的电子药丸、具有活性部件的外科装置、接触镜片、输注泵和神经刺激器。前述许多医疗装置的功能增加和性能增强已经理论化并得以发展。然而，为了实现在理论上所说的增加的功能，这些装置中的许多现在都需要自备式通电机构，该机构与这些装置的尺寸和形状要求以及新的通电部件的能量要求相容。
一些医疗装置可包括诸如半导体器件的电气部件，这些部件执行多种功能并且可以结合到许多生物相容性和/或植入式装置中。然而，此类半导体部件需要能量，因此，通电元件也应该优选地被包括在此类生物相容性装置中。生物相容性装置的外形和相对较小的尺寸可为各种功能的限定产生挑战性的环境。在许多实例中，重要的是提供安全、可靠、紧凑和高性价比的装置来为生物相容性装置内的半导体部件供电。因此，需要形成用于植入生物相容性装置内或之上的生物相容性通电元件，在生物相容性装置中的这些毫米或更小尺寸的通电元件结构在保持生物相容性的同时也提供了增强的功能。
用于给装置供电的一个此类通电元件可为电池。电池中常用的可包含各种类型的化学基储能材料的元件是电池阴极。电池的功能可关键取决于结构的设计、材料以及与形成电池阴极相关的工艺。此外，在一些实例中，电池阴极材料的容纳度可为生物相容性的一个重要方面。
阴极浆料可为生物相容性电池的组分。阴极浆料的选择可对生物相容性电池的整合、制造、物流、可靠性和产量具有影响。浆料技术已经随浆料产业的苛刻要求而同步发展。阴极浆料制造可能要求如下领域的专门技术：颗粒合成；分散、混合和过滤；电化学、胶体科学和表面化学；流体动力学；和数值分析。操作专业性对于供应商夜以继日完美无瑕地制造阴极浆料以及递送该阴极浆料以用于高产量制造而言可能是有用的。此外，在设计电池元件和用来使电池元件成为眼科装置的生物相容性能量源的制造系统时，眼科和眼科装置中的专业性对于使用阴极浆料形成的生物相容性装置的安全特性而言可能是重要的。因此，需要制造在生物相容性通电元件中使用的小生物相容性阴极的新实例。
发明内容
本发明的一个总体方面包括用于制造在生物相容性电池中使用的阴极浆料的方法。该方法可包括如下步骤：将一种或多种液相预混合物与一种或多种固相预混合物混合成阴极浆料混合物。然后，获得层状结构，其中该层状结构具有被移除以形成腔的体积。接着，过滤该阴极浆料混合物。最后，将该阴极浆料混合物分配到层状结构的腔中，以形成在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极。
具体实施可包括下述特征中的一种或多种特征。该方法包括检查该固相预混合物和该液相预混合物的质量。该方法还可包括在过滤阴极浆料混合物之后，储存和再循环该阴极浆料混合物。该方法还可包括干燥该阴极浆料混合物。该液相预混合物可包括一种或多种试剂，其中至少一种试剂是液相试剂。该方法还可包括过滤该液相试剂。一种液相试剂可包括溶剂。该溶剂可包括甲苯。
该固相预混合物可包括一种或多种固相试剂。该方法还可包括将该固相试剂筛分成均一粒度。该方法还可包括固相试剂，该固相试剂包括亲水性粘结剂。该方法还可包括一种固相预混合物，该固相预混合物包含过渡金属氧化物。该过渡金属氧化物包括二氧化锰。该方法还可包括一种固相试剂，该固相试剂包括碳同素异形体。碳同素异形体可包括石墨。石墨可包括炭黑。该方法还可包括一种固相试剂，该固相试剂包括亲水性粘结剂。亲水性粘结剂可包括聚异丁烯(PIB)。亲水性粘结剂可包括氟碳固体。氟碳固体可包括聚四氟乙烯(PTFE)。该方法还可包括生物医疗装置，该生物医疗装置是接触镜片。
本发明的一个总体方面包括用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极的方法，该方法包括以下步骤：获得甲苯、二氧化锰、炭黑和聚异丁烯。该方法还可包括过滤甲苯。该方法还可包括筛分二氧化锰、炭黑和聚异丁烯。该方法还可包括将甲苯和聚异丁烯混合成液相预混合物。该方法还可包括将二氧化锰和炭黑混合成固相预混合物中。该方法还可包括检查固相预混合物和液相预混合物两者的质量。该方法还可包括将该固相预混合物和液相预混合物混合成阴极浆料混合物，然后过滤该阴极浆料混合物。该方法还可包括储存该阴极浆料混合物，然后再循环该阴极浆料混合物。该方法还可包括获得层状结构，其中该层状结构具有被移除以形成腔的体积。该方法还可包括过滤所储存的阴极浆料混合物，然后将所过滤的阴极浆料混合物分配到层状结构的腔中，随后干燥阴极浆料混合物以形成在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极。
本发明的一个总体方面包括用于制造在生物医疗装置中使用的阴极浆料的方法，该方法包括：将一种或多种液相预混合物与一种或多种固相预混合物混合成阴极浆料混合物；获得层状结构，其中该层状结构具有被移除以形成腔的体积；以及过滤该阴极浆料混合物。该方法还可包括将阴极浆料混合物分配到层状结构的腔中，从而形成在生物医疗装置中使用的阴极浆料，其中该生物医疗装置包括插入件装置。该插入件装置可包括响应于控制电压信号的电活性元件。该方法还可包括生物相容性电池。该生物相容性电池可包括第一电极和第二电极、阳极、分隔物、层状结构(其中该层状结构的至少一个层具有被移除以形成腔的体积)。该方法还可包括阴极浆料，其中通过研磨该阴极浆料的一种组分，使该组分的至少平均分子大小在粒度上减小。该方法还可包括阴极材料，该阴极材料基于其流变性能够填充该腔，同时保持穿过腔中的层状结构的导电性。该方法还可包括电连接到生物相容性电池的电路，其中该电路提供控制电压信号。该方法可包括生物医疗装置，该生物医疗装置是接触镜片。
附图说明
图1A至图1D示出了与接触镜片的示例性应用一致的生物相容性通电元件的示例性方面。
图2示出了示例性电池设计的单个电池的示例性尺寸和形状。
图3A示出了具有示例性阳极和阴极连接部的第一独立式封装的生物相容性通电元件。
图3B示出了具有示例性阳极与阴极连接部的第二独立式封装的生物相容性通电元件。
图4A至图4N示出了形成用于生物医疗装置的生物相容性通电元件的示例性方法步骤。
图5示出了示例性的完全成形的生物相容性通电元件。
图6A至图6F示出了生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤。
图7A至图7F示出了采用另选电镀方法使生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤。
图8A至图8H示出了形成具有水凝胶分隔物的用于生物医疗装置的生物相容性通电元件的示例性方法步骤。
图图9A至图9C示出了利用另选的水凝胶处理实例使生物相容性通电元件结构形成的示例性方法步骤。
图图10A至图10F示出了将阴极混合物沉积到腔中的优化及未优化的过程。
图11示出了腔内阴极混合物的聚结。
图12示出用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的示例性方法步骤。
具体实施方式
本专利申请公开了制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极浆料的方法。在下述部分中，给出了各种实例的详细描述。文中描述的实例仅为示例性实施例，各种修改和更改对于本领域的技术人员而言可为显而易见的。因此，实例不限制本申请的范围。阴极混合物及容纳阴极混合物的结构可被设计成在生物相容性电池中使用。在一些实例中，这些生物相容性电池可被设计成在活生物体的机体中或其附近使用。
术语
在下文说明和权利要求书中，可能会用到多种术语，它们将采用以下定义：
如本文所用的“阳极”是指电流通过其流进极化的电气装置的电极。电流的方向通常与电子流的方向相反。换句话讲，电子从阳极流进例如电路中。
如本文所用的“粘结剂”是指能够表现出对机械变形的弹性反应并且与其他通电元件部件化学相容的聚合物。例如，粘结剂可包括电活性材料、电解质、聚合物等。
如本文所用的“生物相容性”是指在具体的应用中以合适的宿主反应执行的材料或装置。例如，生物相容性装置对生物系统不具有毒性或有害作用。
如本文所用的“阴极”是指电流通过其流出极化的电气装置的电极。电流的方向通常与电子流的方向相反。因此，电子流进极化的电气装置的阴极并流出例如所连接的电路。
如本文所用的“涂层”是指薄的形式的材料沉积物。在一些用途中，该术语将指代基本上覆盖基底表面的薄沉积物，该沉积物在表面上形成。在其他更特殊的用途中，该术语可用于描述在表面的更小区域中的小的薄沉积物。
如本文所用的“电极”可指能量源中的有效质量。例如，它可以包括阳极和阴极之一或二者。
如本文所用的“通电的”是指能够提供电流或能够在其内储存电能的状态。
如本文所用的“能量”是指使物理系统做功的能力。通电元件的许多用途可涉及能够执行电动作的能力。
如本文所用的“能量源”或“通电元件”或“通电装置”是指能够提供能量或将逻辑或电气装置置于通电状态的任何装置或层。通电元件可包括电池。电池可由碱性类型的电池化学物质形成，并且可为固态电池或湿电池。
如本文所用的“填充物”是指不与酸或碱性电解质反应的一种或多种通电元件分隔物。一般来讲，填充物可包括基本上不溶于水的材料，诸如炭黑；煤粉；石墨；金属氧化物和氢氧化物，诸如硅、铝、钙、镁、钡、钛、铁、锌和锡的那些氧化物和氢氧化物；金属碳酸盐，诸如钙和镁的那些碳酸盐；矿物质，诸如云母、蒙脱土、高岭石、绿坡缕石和滑石；合成和天然的沸石，诸如波特兰水泥；沉淀金属硅酸盐，诸如硅酸钙；中空或实心聚合物或玻璃微球、薄片和纤维；等等。
如本文所用的“功能化的”是指使层或装置能够执行包括例如通电、激活和/或控制的功能。
如本文所用的“模具”是指可以用于通过未固化的制剂形成三维物体的刚性或半刚性物体。一些示例性模具包括两个模具部件，所述两个模具部件在彼此相对时限定三维物体的结构。
如本文所用的“功率”是指单位时间内做的功或传递的能量。
如本文所用的“可再充电”或“可再通电”是指恢复到具有更大做功本领的状态的能力。多种用途可涉及能够使电流以某一速率在特定的恢复时间段内流动的恢复能力。
如本文所用的“再通电”或“再充电”是指恢复到具有更大做功本领的状态。多种用途可涉及使装置恢复到使电流以某一速率在特定的恢复时间段内流动的能力。
如本文所用的并有时称为“从模具释放”的“释放”意指三维物体与模具完全分离，或者只是松散地附接到模具，使得可通过轻轻晃动而移除。
如本文所用的“堆叠的”是指将至少两个部件层紧邻彼此放置，使得其中一层的一个表面的至少一部分接触第二层的第一表面。在一些实例中，不论用于粘附或者用于其他功能的涂层可驻留在通过该涂层彼此接触的两个层之间。
如本文所用的“迹线”是指能够将电路部件连接在一起的通电元件部件。例如，电路迹线可在基底为印刷电路板时包含铜或金，并在柔性电路中通常可为铜、金或印刷膜。一种特殊类型的“迹线”为集流体。集流体是具有电化学相容性的迹线，这使得集流体适用于在电解质的存在下引导电子流向阳极或流出阴极。
本文展示的方法和设备涉及形成用于包括在扁平或三维生物相容性装置之内或之上的生物相容性通电元件。具体类型的通电元件可为成层制造的电池。层还可被归类为层合物层。以这种方式形成的电池可被归类为层状电池。
根据本发明，还可有关于如何组装和配置电池的其他实例，其中一些会在以下部分中描述。然而，对于许多这些实例，存在可独立进行描述的电池的所选参数和特性。在下述部分中，将重点描述一些特性和参数。
具有生物相容性通电元件的示例性生物医疗装置构造
可结合本发明的通电元件、电池的生物医疗装置的实例可为电活性调焦接触镜片。参见图1A，此类接触镜片插入件的实例可被示为接触镜片插入件100。在接触镜片插入件100中，可存在电活性元件120，该电活性元件可响应于控制电压来适应聚焦特性变化。用于提供那些控制电压信号以及提供其他功能诸如根据外部控制信号控制环境感测的电路105可由生物相容性电池元件110供电。如图1A所示，电池元件110可作为多个主要件，在此例中是三个件，并且可包括各种电池化学元件构型，如所讨论的那样。电池元件110可具有各种互连特征结构以将部件接合在一起，如可示出在互连器114的区域下方的那样。电池元件110可被连接至电路元件，该电路元件可具有自己的基底111，互连特征结构125可位于该基底上。可为集成电路形式的电路105可电连接和物理连接至基底111及其互连特征结构125。
参见图1B，接触镜片150的剖面浮雕(crosssectionalrelief)可包括接触镜片插入件100及其所讨论的组成。接触镜片插入件100可被包封到接触镜片水凝胶155的裙边中，裙边可包封接触镜片插入件100并为用户的眼睛提供与接触镜片150的舒适接触面。
参考本发明的概念，电池元件可以二维形式形成，如图1C所描述。在该图示中，可存在电池单元的两个主要区域，即电池部件165和第二电池部件的区域以及电池化学元件160的区域。在图1C中以扁平形式示出的电池元件可连接至电路元件163，在图1C的实例中电路元件163可包括两个主要电路区域167。电路元件163可在电触点161和物理触点162处连接至电池元件。如已相对于本发明进行描述的，该扁平结构可折叠成三维锥形结构。在此过程中，第二电触点166和第二物理触点164可用于连接三维结构并使其保持物理稳定。参见图1D，可找到该三维锥形结构180的图示。其中也可找到物理触点和电触点181，并且该图示可视为所得结构的三维视图。该结构可包括模块化电气和电池部件，所述部件将与镜片插入件一起结合到生物相容性装置中。
分段式电池方案
参见图2，针对用于接触镜片类型实例的示例性电池元件描述了不同类型的分段式电池方案的实例。分段部件可相应地为圆形271、正方形272或矩形。在矩形实例中，矩形可为小的矩形形状273，更大的矩形形状274，或甚至更大的矩形形状275。
扁平电池元件的定制形状
在生物相容性电池的一些实例中，电池可成形为扁平元件。参见图3A，描述了具有阳极连接部311和阴极连接部312的电池元件的矩形轮廓310的实例。参见图3B，描述了具有阳极连接部331和阴极连接部332的电池元件的圆形轮廓330的实例。
在一些扁平形式电池的实例中，电池的轮廓可在尺寸和几何形状上被配置成装配在定制产品中。除矩形或圆形轮廓的实例外，还可形成定制的“自由形式”或者“自由形状”轮廓，这可允许优化电池构型以装配在给定的产品内。
在可变光学件的示例性生物医疗装置中，扁平轮廓的“自由形式”实例可为弧形形式。自由形式可具有以下几何形状，当它形成三维形状时，其可采用装配在接触镜片的限制范围内的锥形、环形裙边的形式，。显然，在医疗装置具有限制性2D或3D形状要求的情况下，可形成类似的有利几何形状。
电池的生物相容性方面
作为一个实例，根据本发明的电池可具有关于安全性和生物相容性的重要方面。在一些实例中，用于生物医疗装置的电池可需要满足优于典型应用场景的要求。在一些实例中，可在设计方面考虑到与应力事件相关。例如，可需要考虑用户在插入或取出镜片期间打碎镜片的情况下电子接触镜片的安全性。又如，可能在设计方面应考虑用户眼睛被异物袭击的可能性。可在开发设计参数和约束条件时考虑到的应力条件的其他实例可涉及，在非限制性实例中，用户在具有挑战性的环境如水下环境或高海拔环境中佩戴镜片的可能性。
形成装置的材料、生产装置用到的材料量以及用于将装置与其身体上或体内的周围环境分开的封装件均可影响此类装置的安全性。在一个实例中，起搏器可为一种典型类型的生物医疗装置，其可包括电池并且可植入用户体内较长时间段。因此，在一些实例中，此类起搏器可通常利用焊接、密封的钛外壳进行封装，或在其他实例中，利用多层封装。新兴的动力生物医疗装置可为封装，特别是电池封装，带来新的挑战。这些新型装置可比现有的生物医疗装置小得多，例如，电子接触镜片或药丸摄影机可显著小于起搏器。在此类实例中，可用于封装的体积和面积可大大降低。
微电池的电气要求
设计考虑的另一个领域可涉及装置的电气要求，这可由电池提供。为了能用作医疗装置的电源，合适的电池可需要在不连接或没有外部供电模式下操作时能满足系统的全部电气要求。新兴的不连接或没有外部供电的生物医疗装置领域可包括例如视力矫正接触镜片、健康监测设备、药丸摄影机以及一些新型装置。集成电路(IC)技术的最新进展可允许在极低的电流水平下进行有意义的电气操作，例如，待机电流仅为皮安级以及工作电流仅为微安级。集成电路也可允许用于很小的装置。
生物医疗应用中的微电池可能需要满足许多同步的、挑战性的要求。例如，微电池可需要具有将合适的工作电压递送至相结合的电路的能力。该工作电压可受若干因素的影响，包括：IC工艺“节点”、电路到其他装置的输出电压、以及具体的电流消耗目标(这也可与期望的装置寿命相关)。
至于IC工艺，节点通常可通过晶体管的最小特征尺寸进行区分，诸如其“所谓的”晶体管通道。该物理特征结构以及IC制造的其他参数诸如栅极氧化厚度可与针对在给定工艺节点中制造的场效应晶体管(FET)的“开启”电压或“阈值”电压所得的评级标准相关联。例如，在最小特征尺寸为0.5微米的节点中，场效应晶体管开启电压通常为5.0V。然而在最小特征尺寸为90nm的节点中，场效应晶体管开启电压可为1.2V、1.8V和2.5V。IC代工厂可提供数字区段的标准单元，例如已经被描绘特征且被认为在某些电压范围内使用的逆变器和触发器。设计者选择IC工艺节点主要基于若干因素，包括数字装置的密度、模拟/数字混合信号装置、泄漏电流、布线层、特殊装置诸如高电压场效应晶体管的可用性。考虑到可从微电池获取功率的电气部件的这些参数方面，特别是就可用电压和电流来说，微电池电源与所选的工艺节点及IC设计的要求相匹配是重要的。
在一些实例中，由微电池供电的电路可连接至其他装置。在非限制性实例中，由微电池供电的电路可连接至致动器或换能器。取决于具体应用，这些可包括发光二极管(LED)、传感器、微电子机械系统(MEMS)泵或许多其他此类装置。在一些实例中，此类连接的装置可需要比一般IC工艺节点高的工作电压条件。例如，变焦镜片可需要35V来启动。因此，当设计此类系统时，电池提供的工作电压可为关键的考虑因素。在这类考虑因素的一些实例中，镜片驱动器从1V的电池产生35V电压的效率可明显低于它从2V的电池产生35V电压的效率。还考虑到微电池的操作参数，另外的要求诸如芯片尺寸可明显不同。
通常可用开路电压、负载电压和截止电压来评定单个电池单元。开路电压是电池单元具有无限大的负载电阻时产生的电势。负载电压是在合适的、通常还是指定的负载阻抗跨电池终端放置时电池所产生的电势。截止电压通常是电池的大部分已放电时的电压。截止电压可表示电压或放电程度，低于该电压或放电程度时电池应停止放电以避免有害影响，诸如过度放气。截止电压不仅受电池本身的影响，通常还可受电池所连接电路的影响，例如电子电路的最低工作电压。在一个实例中，碱性电池的开路电压可为1.6V，负载电压可在1.0V至1.5V的范围内，截止电压可为1.0V。给定微电池单元设计的电压可取决于采用的电池化学物质的其他因素。因此，不同的电池化学物质可具有不同的电池电压。
可将电池串联来增加电压值；然而，该组合权衡尺寸、内电阻以及电池复杂性。电池也可以并联构型组合，以减小电阻并且增大容量；然而，此类组合可权衡尺寸和储存寿命。
电池容量是电池在一段时间内递送电流、或做功的能力。电池容量可通常以单位诸如微安-小时表示。可递送1微安电流1小时的电池具有1微安-小时的容量。通常可以通过增加电池装置内反应物的质量(因而增大体积)来增加容量，然而应该认识到，生物医疗装置在可用体积方面可受到明显约束。电池容量也可受电极和电解质材料的影响。
根据电池所连接的电路的要求，电池可需要提供一定的值范围内的源电流。在启动使用之前的储存过程期间，大约皮安至纳安级的泄漏电流可能流过电路、互连器及绝缘体。在启动操作期间，电路可消耗流到样品传感器、运行计时器的静态电流，并执行此类低电耗功能。静态电流消耗可为大约纳安至毫安级。电路还可具有甚至更高的峰值电流需求，例如当写入闪存存储器或通过射频(RF)通信时。该峰值电流可扩大至几十毫安或更大。微电池装置的电阻和阻抗对于设计考虑也可为重要的。
储存寿命通常是指电池在存放时能够持续带电并仍保持可用操作参数的时长。由于若干原因，储存寿命对于生物医疗装置可尤为重要。电子装置可取代非动力装置，例如电子接触镜片的引入。由于消费者、供应链、和其他要求，这些现有市场空间中的产品可已建立了储存寿命要求，例如三年。通常情况下，期望的是新产品不改变此类规格。也可根据包括微电池的生物装置的配送方法、库存方法和使用方法来设定储存寿命要求。因此，用于生物医疗装置的微电池可具有特定的储存寿命要求，例如储存寿命可以年数来测量。
在一些实例中，三维生物相容性通电元件可以再充电。例如，还可以在三维表面上制作感应线圈。然后感应线圈可通过射频(“RF”)卡(fob)通电。感应线圈可连接到三维生物相容性通电元件，以在向感应线圈施加RF时使通电元件再充电。在另一个实例中，还可在三维表面上制造光伏，并将其连接至三维生物相容性通电元件。当暴露于光或光子时，光伏将产生电子以对通电元件再充电。
在一些实例中，电池可用于为电气系统提供电能。在这些实例中，电池可电连接至电气系统的电路。电路与电池之间的连接部可归类为互连器。由于若干因素，对于生物医学微电池，这些互连器可变得越来越具有挑战性。在一些实例中，动力生物医疗装置可非常小，从而使得用于互连器的面积和体积很小。尺寸和面积的限制可影响互连器的电阻与可靠性。
在其他方面，电池可包含可在高温下沸腾的液体电解质。该限制可直接与使用焊料互连器的需求相竞争，焊料互连器可例如需要相对较高的温度诸如250摄氏度来进行熔融。虽然在一些实例中，包括电解质的电池化学物质和用于形成基于焊料的互连器的热源可在空间上相互隔离。但就新兴的生物医疗装置而言，小尺寸可阻碍电解质和焊点通过间隔足够距离来减少热传导。
互连器
互连器可允许电流流入与外部电路连接的电池中以及从其流出。此类互连器可与电池的内部和外部的环境交接，并可横跨这些环境之间的边界或密封。这些互连器可被视为迹线，其与外部电路连接，穿过电池密封件，然后连接至电池内部的集流体。同样地，这些互连器可具有若干要求。在电池外部，互连器可类似于典型的印刷电路迹线。它们可焊接到或以其他方式连接到其他迹线。在电池是独立于包括集成电路的电路板的单独物理元件的一个实例中，电池互连器可允许连接到外部电路。可通过焊料、导电胶带、导电油墨或导电环氧树脂、或其他方式形成此连接。互连器迹线可能需要在电池外部环境中存在，例如，在氧气存在的条件下不腐蚀。
由于互连器穿过电池密封件，所以互连器与密封件共存并允许密封是尤为重要的。除了密封件与电池封装件之间可需要粘合外，密封件与互连器之间也需要进行粘合。在电池中存在电解质及其他材料的情况下，可能需要保持密封完整性。通常可为金属的互连器可称之为电池封装件中的失效点。电势和/或电流的流动可增加电解质沿着互连器“蠕变”的趋势。因此，互连器可能需要进行工程改造以保持密封完整性。
在电池内部，互连器可与集流体交接或可实际上形成集流体。就这一点而言，互连器可能需要满足如本文所述的集流体的要求，或可能需要形成与此类集流体的电连接。
一类候选的互连器和集流体是金属箔。此类箔在25微米或更薄的厚度下可用，这使得它们适合用于极薄的电池中。还可寻求具有低表面粗糙度及低污染的此类箔，这两个因素对于电池性能可为重要的。箔可包括锌、镍、黄铜、铜、钛、其他金属以及各种合金。
电解质
电解质是能促进两个电极的化学材料之间发生化学反应的电池组分。典型的电解质可对电极具有电化学活性，例如，从而允许发生氧化和还原反应。在一些实例中，这种重要的电化学活性可能给形成生物相容性装置带来挑战。例如，氢氧化钾(KOH)可为碱性电池中的常用电解质。但是该物质在高浓度下具有高pH，并且可与各种活组织发生不良的相互作用。另一方面，在一些实例中，可以使用可具有较低电化学活性的电解质；然而，这些物质通常可导致电性能的降低，诸如电池电压降低和电池电阻增大。因此，生物医学微电池的设计和工程改造的一个关键方面可为电解质。期望的是电解质具有足够活性来满足电气要求，同时在体内或身体上使用时相对安全。
可使用各种测试方案测定电池部件，特别是电解质对活细胞的安全性。这些结果与电池封装件的测试相结合可实现满足要求的电池系统的工程设计。例如，当开发动力式接触镜片时，可在人角膜细胞模型上测试电池电解质。这些测试可包括关于电解质浓度、暴露时间和添加剂的实验。此类测试的结果可指示细胞代谢及其他生理学方面的信息。测试也可包括对动物和人进行的体内测试。
本发明中使用的电解质可包含氯化锌、乙酸锌、乙酸铵及质量浓度为大约0.1％至50％(在非限制性实例中可为大约25％)的氯化铵。具体浓度可取决于电化学活性、电池性能、储存寿命、密封完整性和生物相容性。
在一些实例中，可在电池系统的组合物中应用几类添加剂。添加剂可混合到电解质底料中，以改变电解质的特性。例如，胶凝剂诸如琼脂可降低电解质从封装件泄漏的能力，从而增强安全性。也可在电解质中添加抗蚀剂，例如，来通过减少锌阳极在电解质中的不期望溶解来延长储存寿命。这些抑制剂可对电池的安全特性带来有利或不利的影响。例如，可添加润湿剂或表面活性剂，以允许电解质润湿分隔物或允许电解质被填充至电池封装件中。同样，这些润湿剂对安全性可为有利的或不利的。添加表面活性剂至电解质可增大电池的电阻。因此，应采用实现期望润湿特性或其他特性的表面活性剂的最小浓度。示例性表面活性剂可包括浓度为0.01％至2％的TritonTMX-100、TritonTMQS44和DowfaxTM3B2。
还出现了可明显提高生物医学微电池的安全特性的新型电解质。例如，一类固体电解质可固有地抗泄漏，同时还提供合适的电性能。
使用“盐水”电解质的电池通常用作船用储备电池。鱼雷、浮标和应急灯可使用此类电池。储备电池是活性材料、电极和电解质在使用前相互分开的电池。由于这种分开，电池的自放电大大减少，并且储存寿命显著延长。盐水电池可设计为来自多种电极材料，包括锌、镁、铝、铜、锡、二氧化锰和氧化银。电解质可以是实际的海水，例如，在接触时从海洋灌入电池的水，或可为特制的盐水制剂。这类电池可在接触镜片中特别有用。盐水电解质可具有比传统的电解质诸如氢氧化钾和氯化锌更优异的生物相容性。接触镜片被保存在“润湿溶液”中，“润湿溶液”通常是氯化钠、或许还有其他盐和缓冲剂的混合物。这类溶液已经证明是与锌阳极和二氧化锰阴极结合的电池电解质。其他的电解质和电极组合也是可行的。使用“盐水”电池的接触镜片可包含基于氯化钠、润湿溶液的电解质，或者甚至类似于泪液的特制电解质。此类电池可以例如被润湿溶液激活，对眼睛保持开口，并且在暴露于人泪液的情况下持续工作。
除了使用更类似于泪液的电解质，或实际上使用泪液作为电解质带来的生物相容性方面的可能优势之外或代替这种优势，储备电池还可用于满足接触镜片产品的储存寿命需求。典型接触镜片的规定储存寿命是3年或者更长。这对于具有小且薄的封装的电池来说是具有挑战性的要求。接触镜片中使用的储备电池可具有类似于图1和图3中所示电池的设计，但在制造时可能不会添加电解质。电解质可以针剂形式储存在接触镜片内并连接至电池，或围绕电池的盐水可用作电解质。在接触镜片和电池封装件内，可设计阀或端口来将电解质与电极分开，直到用户激活镜片。在通过简单地紧缩接触镜片的边缘(类似于激活荧光棒)来激活时，电解质可流入电池中并且在电极之间形成离子通道。这可涉及电解质的一次性转移，或者可暴露电池以供电解质的持续扩散。
一些电池系统可在化学反应期间使用或消耗电解质。因此，在封装系统中设计一定体积的电解质可为必要的。该电解质可存储在各种位置，包括分隔物或贮存器中。
在一些实例中，电池系统的设计可包括可用于限制电池系统的放电容量的一个或多个部件。例如，可能需要设计阳极、阴极或电解质材料以及材料的量，使得它们中的一者首先在电池系统的反应过程中耗尽。在此类实例中，阳极、阴极或电解质中一者的耗尽可降低有问题的放电的可能性并且使副作用在较低放电电压下不发生。这些有问题的反应可以产生例如可能不利于安全性及其他因素的过多的气体或副产物。
模块化的电池部件
在一些实例中，可根据本发明的一些方面和实例来形成模块化的电池部件。在这些实例中，模块化电池组件可为与生物医疗装置的其他部分分开的部件。在眼科接触镜片装置的实例中，此类设计可包括与介质插入件的其余部分开的模块化电池。形成模块化电池部件有许多优点。例如，在接触镜片的实例中，模块化电池部件可以在单独的、非集成的过程中形成，这可以缓解处理刚性的、三维成型光学塑料部件的需要。此外，制造的来源可更加灵活，并且可与生物医疗装置中的其他部件的制造以更并行的模式进行。另外，模块化电池部件的制造可脱离三维(3D)成形装置的特性。例如，在需要最终为三维形式的应用中，可以将模块化的电池系统制成平面或大致二维(2D)的透视图，然后成形为适当的三维形状。由于电池部件可在组装之前进行分类，所以模块化电池部件可独立于生物医疗装置的其余部分进行测试，并产生损耗。所得的模块化电池部件可用于各种介质插入件构造中，这些构造不具有可于其上形成电池部件的合适刚性区域，并且在另一个实例中，模块化电池部件的使用可有利于使用不同选项的制造技术而非原本使用的技术，诸如基于卷的技术(卷对卷)，基于片的技术(片对片)、印刷、光照以及“刮压”处理。在模块化电池的一些实例中，此类装置的离散容纳方面可导致附加的材料被添加到整个生物医疗装置构造。当可用空间参数需要最小化的溶液厚度或体积时，此类影响可为模块化电池溶液的使用设定限制。
电池形状要求可至少部分地由将使用该电池的应用决定。传统的电池形状因数可为圆柱形形状或矩形棱柱形状，它们由金属制得，并且可适用于需要大量电能持续长时间的产品。这些应用可足够大，使得它们可包括大形状因数电池。在另一个实例中，平面(2D)固态电池是通常在刚性硅或玻璃上形成的薄的矩形棱柱形状。在一些实例中，这些平面固态电池可使用硅晶片加工技术形成。在另一种类型的电池形状因数中，可用薄箔或塑料来容纳电池化学物质形成小袋构造的小功率、柔性电池。这些电池可被制成扁平(2D)的，并且可被设计成在弯曲至适度的平面外(3D)曲率时起作用。
在本发明中电池可用于可变光学镜片的电池应用的一些实例中，其形状因数可需要电池部件具有三维曲率，其中曲率半径可为大约8.4mm。此类曲率的性质可被视为相对陡峭，并且作为参考可近似于在人指尖上发现的曲率类型。相对陡峭的曲率性质给制造带来了挑战。在本公开的一些实例中，模块化电池部件可被设计成使得其可以平面、二维的方式来制造，然后形成相对高曲率的三维形式。
电池模块厚度
在设计用于生物医疗应用的电池部件时，可在各种参数中进行权衡，以平衡技术、安全性及功能的需求。电池部件的厚度可为重要的限制性参数。例如，在光学镜片应用中，装置可供用户佩戴舒适的能力关键取决于整个生物医疗装置的厚度。因此，将电池设计得更加薄是关键、有利的方面。在一些实例中，电池厚度可由顶片和底片、隔离件片的组合厚度以及粘合剂层厚度确定。实际制造方面可使膜厚度的某些参数达到可用片存料的标准值。此外，膜可具有最小厚度值，所述最小厚度值可基于涉及化学相容性、不透湿性/不透气性、表面光洁度以及与可沉积在膜层上的涂层的相容性的技术考虑来指定。
在一些实例中，精加工电池部件的期望或目标厚度可为小于220μm的部件厚度。在这些实例中，该预期厚度可由示例性眼科镜片装置的三维几何形状决定，其中该电池部件可需要装配在由满足终端用户舒适度、生物相容性以及可接受约束条件的水凝胶镜片形状限定的可用体积内。该体积及其对电池部件厚度需求的影响可根据装置总厚度规格以及涉及装置宽度、锥角和内径的装置规格而变化。所得电池部件设计的另一个重要设计考虑可涉及相对于可由该设计产生的所得化学能，在给定电池部件设计中活性电池化学物质与材料的可用体积。然后所得化学能可针对功能性生物医疗装置的电气需求在其目标寿命和工作条件进行平衡。
电池模块的柔性
与电池设计和使用基于电池的能量源的相关装置的设计有关的另一方面是电池部件的柔性。柔性电池形式可赋予许多优点。例如，柔性电池模块可有助于前面提及的以二维(2D)扁平形式制造电池形式的能力。形式的柔性可允许二维电池随后被形成到适当的3D形状中，以装配在生物医疗装置诸如接触镜片中。
在可由电池模块中的柔性赋予的益处的另一个实例中，如果电池和之后的装置为柔性的，则存在装置使用方面的优势。在一个实例中，接触镜片形式的生物医疗装置可有利于基于介质插入件的接触镜片的插入/移除，这可更接近标准的、非填充型水凝胶接触镜片的插入/移除。
挠曲的次数对电池的工程改造可为重要的。例如，可仅从平面形式到适于接触镜片的形状挠曲一次的电池可与能够进行多次挠曲的电池具有明显不同的设计。电池的挠曲不仅是能够机械性地进行挠曲。例如，虽然电极可在物理上能够进行挠曲而不会断裂，但是电极的机械及电化学性质可能会因为挠曲而发生改变。挠曲引起的变化可立刻显现，例如电阻的改变，或者挠曲也可引起仅在长期储存寿命测试中显现的变化。
电池模块宽度
可存在可利用本公开的生物相容性通电元件或电池的大量应用。一般来讲，电池宽度要求可在很大程度上取决于其应用。在示例性情况下，接触镜片电池系统对模块化电池部件的宽度可具有限制的规格要求。在其中装置具有由电池部件供电的可变光学功能的眼科装置的一些实例中，装置的可变光学部分可占据直径约7.0mm的中心球形区域。示例性电池元件可被视为三维物体，它作为环状的锥形裙边围绕中心光学件装配并被形成到截短的锥形环中。如果刚性插入件的所需最大直径为8.50mm，并可标出与某一直径球体(例如直径大约为8.40mm)相切，然后该几何构造可确定所允许的电池宽度是多少。可存在可用于计算所得几何构造的所需规格的几何模型，所述几何构造在一些实例中可被称为压入环带扇区的锥形截头。
扁平电池的宽度可由电池元件的两个特征结构：活性电池部件宽度和密封件宽度决定。在一些关于眼科装置的实例中，目标厚度可在0.100mm至0.500mm(每边)之间，并且活性电池部件目标宽度可大致为0.800mm。其他生物医疗装置可具有不同的设计约束，但可以相似方式应用柔性扁平电池元件的原理。
腔作为电池部件设计中的设计元素
在一些实例中，可采用分割活性电池化学物质区域的方式来设计电池元件。将活性电池部件分成离散区段有很多优势。在一个非限制性实例中，分立和较小元件的制造可促进这些元件的生产。包括许多较小元件的电池元件的功能可得到改善。可将各种缺陷分割开，并且在一些情况下可隔离无功能性元件以减少功能损失。这在可发生电池电解质损失的实例中可为相关的。各个部件的隔离可能会有为了限制整个电池元件小区段的功能损失而造成电解质从电池的关键区域泄漏出来的缺陷，然而通过该缺陷产生的电解质损失可为配置为单独电池的电池空出一块显著较大的区域。虽然从整体角度来看较小的电池可使活性电池化学物质体积降低，但是围绕每个较小电池的材料网可导致整体结构的加强。
电池元件的内部密封件
在生物医疗装置中使用的电池元件的一些实例中，电池的化学作用涉及水溶液化学，其中水或水分是控制的重要成分。因此，结合延缓或阻止水分离开或进入电池主体的密封机制是重要的。可设计防潮层来使内部水分水平处于设计的水平，在一定公差范围内。在一些实例中，防潮层被分为两个部分或部件：封装件和密封件。
封装件可指外壳的主要材料。在一些实例中，封装件可包括批量材料。水蒸气传输速率(WVTR)可为一项性能指标，结合ISO、ASTM标准控制测试程序，包括测试期间的环境条件操作水平。理想情况下，良好电池封装件的WVTR可为“0”。WVTR接近0的示例性材料可为玻璃或金属箔。另一方面，塑料可对于水分固有地具有多孔性，并且不同类型的塑料可显著不同。工程材料、层合物或共挤出物通常可为常见封装材料的混合物。
密封件可为两个封装表面之间的界面。密封表面的连接连同封装一起完成了外壳。在许多实例中，密封设计的性质可因为在采用ISO或ASTM标准进行测量时由于样品尺寸或表面积与这些测试过程不兼容而存在困难，所以难以对密封件的WVTR进行表征。在一些实例中，测试密封完整性的实际方法可为针对一些限定条件进行的实际密封设计的功能性测试。密封性能可为密封材料、密封厚度、密封长度、密封宽度及对封装基底的密封粘附性或紧密性的函数。
在一些实例中，密封件可通过焊接法形成，这可涉及热处理、激光处理、溶剂处理、摩擦处理、超声波处理或电弧处理。在其他实例中，密封件可通过使用粘合密封剂形成，诸如胶水、环氧树脂、丙烯酸类树脂、天然橡胶和合成橡胶。其他实例可得自垫圈型材料的使用，所述垫圈材料可由软木、天然橡胶和合成橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯和有机硅形成，仅举一些非限制性实例进行说明。
在一些实例中，可将根据本发明的电池设计成具有指定的操作寿命。操作寿命可通过测定水分渗透的实际量来估算，水分渗透的实际量可用特殊电池系统获得，然后估算这种水分泄漏可何时造成电池寿命结束状况。例如，如果电池保存在潮湿的环境中，那么电池内部和外部的局部压力差将被最小化，从而导致水分损失速率减小，因此电池的寿命可延长。保存在特别干燥和热的环境中的相同示例性电池可因为水分损失的强大驱动作用而具有显著降低的预期寿命。
电池元件分隔物
本发明所述类型的电池可利用分隔物材料，所述分隔物可以物理的方式并以电的方式将阳极和阳极集流体部分与阴极和阴极集流体部分开。分隔物可为水和溶解的电解质组分可透过的隔膜，然而其通常可为非导电的。尽管很多可商购获得的分隔物材料可为本领域中的技术人员所熟知的，但是本发明的新形状因数可对分隔物的选择、加工和处理提出独特的约束条件。
由于本发明的设计可具有超薄型材，所以选择可被限于通常可用的最薄的分隔物材料。例如，约25微米厚的分隔物可为期望的。可具有优势的一些实例可为约12微米厚。可存在许多可接受的市售分隔物，包括微纤维化的微孔聚乙烯单层和/或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯(PP/PE/PP)三层分隔物隔膜诸如由Celgard(Charlotte,NC)生产的那些隔膜。分隔物材料的可取实例可为具有12微米厚度的CelgardM824PP/PE/PP三层膜。用于本发明实例中的分隔物材料的另选实例可包括包含再生纤维素(例如玻璃纸)的分隔物隔膜。
尽管PP/PE/PP三层分隔物隔膜可由于其聚烯烃特性而具有有利的厚度和机械性能，但为了使分隔物隔膜在本发明的实例中可用，它们也可存在需要克服的一些缺点。PP/PE/PP三层分隔物材料的卷存料或片存料可具有许多皱褶或其他形式的误差，这些误差可不利于适用于本文所述电池的微米级公差。此外，聚烯烃分隔物可能需要被切割至超精公差以用于包括在本设计中，因此这意味着将激光切割作为形成具有严格公差的所需形状的分立集流体的示例性方法。由于这些分隔物的聚烯烃特性，可用于微制造的特定切割激光器可采用将不切割聚烯烃的激光波长，例如355nm。聚烯烃不明显地吸收激光能量，并且因此为不可烧蚀的。最后，聚烯烃分隔物对用于本文所述的电池中的含水电解质可不为固有可润湿的。
然而，可存在克服聚烯烃型隔膜的这些固有局限性的方法。为了向高精度切割激光器提供微孔分隔物隔膜以用于将部件切割成弧区段或其他有利的分隔物设计，所述隔膜可能需要为平坦且无褶皱的。如果不满足这两个条件，那么所述分隔物隔膜可无法被完全切割，因为切割光束可能由于入射激光能量的散焦或以其他方式散射而受抑制。另外，如果所述分隔物隔膜不平坦并且无褶皱，分隔物隔膜的形状精度和几何公差可无法完全实现。例如，当前实例的分隔物的容许公差可例如相对于特征长度和/或半径为+0微米和-20微米。可有利地存在+0微米和-10微米的更严格公差，以及进一步的+0微米和-5微米的公差。可通过将分隔物库存材料临时层合到具有合适低挥发性液体的浮法玻璃载体来将材料制成平坦且无褶皱的。由于分隔物隔膜的脆弱性和从粘合剂层释放分隔物隔膜可需要的处理时间量，低挥发性液体可优于临时粘合剂。此外，在一些实例中，已观察到使用液体比使用粘合剂更容易在浮法玻璃上获得平坦且无褶皱的分隔物隔膜。在层合之前，分隔物隔膜被制成不含颗粒。这可通过超声清洗分隔物隔膜以分离任何表面粘附颗粒来实现。在一些实例中，分隔物隔膜的处理可在诸如层流罩或至少10000级的洁净室的合适的低粒子环境中进行。此外，浮法玻璃基底可通过用合适的溶剂冲洗、超声波清洗和/或用洁净室擦拭巾擦拭而制成不含颗粒。
尽管多种低挥发性液体可用于将微孔聚烯烃分隔物隔膜层合到浮法玻璃载体的机械目的，但是可对所述液体作具体要求以有利于随后激光切割出分立的分隔物形状。一个要求可为液体具有足够低的表面张力以吸入到分隔物材料的孔中，这可以通过目测检查轻松确认。在一些实例中，当液体填满所述材料的微孔时，分隔物材料从白色转变为半透明的外观。期望的是选择对将暴露在所述分隔物的制备和切割操作中的工人为温和且“安全”的液体。期望的是选择蒸汽压可足够低的液体，使得在处理的时间范围(大约1天)内不发生明显的蒸发。最后，在一些实例中，液体可具有足够的溶解力来溶解有利的紫外线吸收剂，这可促进激光切割操作。在一个实例中，已观察到阿伏苯宗紫外线吸收剂溶于苯甲酸苄酯溶剂中形成的12％(w/w)溶液可满足上述要求，并且可使其自身有助于以高精度和低公差来激光切割聚烯烃分隔物，而无需过多的切割激光束穿过次数。在一些实例中，分隔物可使用该方法利用8W355nm纳秒二极管泵浦固体激光器切割，其中激光可具有如下设置：低功率衰减(例如3％的功率)，1到10mm/s的中等速度，以及仅1到3次激光束穿过次数。尽管此紫外线吸收油性组合物已经被证明是有效的层合和切割加工助剂，但是本领域的技术人员也可设想其他油性制剂并且其使用不受限制。
在一些实例中，分隔物可在固定到浮法玻璃上时进行切割。将分隔物固定到浮法玻璃载体上进行激光切割的一个优势可为，可从一个分隔物存料片切割出非常高数量密度的分隔物，非常类似于可密集地排列在硅晶片上的半导体芯。这种方法可以提供半导体加工中所固有的规模经济和并行处理优势。此外，可最小化废弃分隔物隔膜的生成。一旦分隔物已被切割，可通过一系列采用可混溶剂的萃取步骤来去除油性加工助剂流体，在一些实例中可用高挥发性溶剂诸如异丙醇来进行最后的萃取。分立的分隔物一旦被萃取便可无限期地储存在任何合适的低粒子环境中。
如先前提到的聚烯烃分隔物隔膜可固有地具有疏水性，并且可能需要制成可由用于本发明的电池中的含水表面活性剂润湿。一种使分隔物隔膜可润湿的方法可为氧等离子体处理。例如，分隔物可在各种功率设定和氧气流量的100％氧等离子体中处理1到5分钟。虽然这种方法可暂时改善可润湿性，但众所周知的是等离子体表面改性提供暂态效应，该暂态效应可无法持续足以供电解质溶液充分润湿的时间。另一种改善分隔物隔膜可润湿性的方法可为通过在隔膜上掺入合适的表面活性剂来处理表面。在一些情况下，表面活性剂可与分隔物隔膜的孔内剩余的亲水性聚合物涂层结合使用。
另一种使通过氧化等离子体处理赋予的亲水性更加持久的方法是利用合适的亲水性有机硅烷进行后续处理。这样，氧等离子体可用于在微孔分隔物的整个表面区域上激活功能基团并赋予功能基团。然后有机硅烷可共价结合和/或非共价粘附到经等离子体处理的表面。在使用有机硅烷的实例中，微孔分隔物的固有孔隙率可不明显地改变，单层表面覆盖率也可为可能和可取的。结合聚合物涂层掺入表面活性剂的现有技术方法可需要严格控制施加到隔膜上的涂层的实际量，并且随后可经受过程可变性。在极端情况下，分隔物的孔可变得被封闭，从而在电化学电池操作期间不利地影响分隔物的效用。本发明中所用的示例性有机硅烷可为(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷。其他亲水性有机硅烷可为本领域技术人员所熟知的并且可不受限制地使用。
用于制备可被含水电解质润湿的分隔物隔膜的另一方法可为在电解质制剂中掺入合适的表面活性剂。在用于制备可润湿性分隔物隔膜的表面活性剂选择中的一个考虑可为，表面活性剂可具有的对电化学电池内的一个或多个电极活性的影响，例如通过增加电池的电阻抗。在一些情况下，特别是就含水电解质中的锌阳极而言，表面活性剂可具有有利的抗腐蚀性质。众所周知，锌可与水经过缓慢的反应释放出氢气，而这是不期望的。本领域的技术人员已知多种表面活性剂可将所述反应的速率限制到有利的水平。在其他情况下，表面活性剂可与锌电极表面强烈地相互作用而使电池性能可能受阻。因此，在选择适当的表面活性剂类型和负载水平时需要十分小心，以确保可获得分隔物可润湿性，而不有害地影响电池的电化学性能。在一些情况下，可使用多种表面活性剂，一种用于赋予分隔物隔膜可润湿性，并且另一种用于促进对锌阳极的抗腐蚀性质。在一个实例中，没有对分隔物隔膜进行亲水处理，并且一种或多种表面活性剂以足以实现分隔物隔膜的可润湿性的量被添加到电解质制剂中。
分立分隔物通过直接放置到用于储存的装置(包括设计的腔、凹坑或组件内的结构)中可集成到层状微电池。。期望地，此储存装置可由具有切口的层状结构形成，该层状结构可为分隔物形状的几何学偏置，从而形成腔、凹坑、或组件内的结构。此外，该存储装置可具有凸缘和台阶，在组装期间，该分隔物依靠在该凸缘和台阶上。凸缘或阶梯可任选地包括保持所述分立分隔物的压敏粘合剂。有利地，压敏粘合剂可与示例性层状微电池的其他元件的构造和堆叠中所用的压敏粘合剂相同。
压敏粘合剂
在一些实例中，包括本发明的层状微电池的多个部件可通过还用作密封剂的压敏粘合剂(PSA)保持到一起。尽管可存在大量可商购获得的压敏粘合剂制剂，但是此类制剂几乎总是包括使它们不适合在生物相容性层状微电池内使用的组分。压敏粘合剂中不期望的组分的实例可包括：低分子量可过滤组分、抗氧化剂例如BHT和/或MEHQ、增塑油、杂质、包含例如不饱和化学键、残留溶剂和/或单体、聚合引发剂片段、极性增粘剂的氧化不稳定部分等等。
在另一方面，合适的PSA可表现出以下特性。它们能够被施用于层状部件以实现大约2到20微米的薄层。同样，它们可例如包括最小量例如零的非期望的或非生物相容性组分。另外，它们可具有足够的粘附性和内聚性，以便将层状电池的部件粘结在一起。并且，在电池内提供电解质的强力密封的同时，它们能够流入本构造的装置中固有的微米级特征结构中。在合适的PSA的一些实例中，PSA可对水蒸气具有低渗透性，以甚至在电池长时间经受极端湿度的情况下，维持电池内所需的含水电解质组合物。PSA可对电解质组分诸如酸、表面活性剂和盐具有良好的耐化学性。它们对水浸的效果可为惰性的。合适的PSA可具有低氧气透过性，以使直接氧化速率最小化，该直接氧化可为锌阳极的一种自放电形式。并且，它们可有利于对氢气的有限透过性，氢气可在含水电解质中从锌阳极缓慢释放。有限的氢气透过性这一性质可避免内部压力积聚。
考虑到这些要求，聚异丁烯(PIB)可为一种可商购获得的材料，其可被配制到满足许多(如果不是全部的话)要求的PSA组合物中。此外，PIB可为一种具有极低吸水性和低透氧性的极好阻隔密封剂。可用于本发明实例中的PIB实例可为BASF公司的B15。B15可溶解在诸如甲苯、庚烷、十二烷、溶剂油等的碳氢化合物溶剂中。一种示例性PSA组合物可包括溶于溶剂混合物中的30％B15(w/w)，所述溶剂混合物包含70％(w/w)甲苯和30％十二烷。在一些实例中，基于PIB的PSA的粘附性和流变性可通过共混不同分子量等级的PIB来确定。常用的方法可使用大多数低分子质量PIB，例如B10来影响润湿、粘性和粘附性，以及使用少数高分子质量PIB来影响韧性和流动阻力。因此，可在本发明的范围内设想并实施任何数量的PIB摩尔质量等级的共混。此外，只要可满足上述要求，便可将增粘剂添加到PSA制剂。由于增粘剂本身的性质，增粘剂赋予PSA制剂极性性质，因此它们需要被小心使用以便不会不利地影响PSA的阻隔性。此外，增粘剂在一些情况下可为氧化不稳定的并且可包括可滤去PSA的抗氧化剂。因为这些原因，在用于生物相容性层状微电池的PSA中使用的示例性增粘剂可包括所有或大部分氢化烃树脂增粘剂，诸如得自EastmanChemicalCorporation的Regalrez系列增粘剂。
生物相容性电池模块中附加封装件和基底的考虑
可存在大量有关封装件和基底的考虑，这些考虑可决定用于生物相容性层状微电池中使用的封装设计的所需特性。例如，封装可有利地主要基于箔和/或膜，其中这些封装可尽可能薄，例如10到50微米。另外，封装可在储存寿命期间为水分增益或损耗提供足够的扩散阻隔。在许多可取的实例中，封装可对氧气进入提供足够的扩散阻隔，以限制锌阳极通过直接氧化而降解。
在一些实例中，封装可提供有限的供氢气透过的路径，氢气可由于锌直接还原水而释放。并且，封装可有利地充分容纳以及分离电池的内容物，使得暴露给用户的电势可最小化。
在本发明中，封装构造可包括以下类型的功能部件：顶部封装层和底部封装层、PSA层、隔离层、互连区域、注料口和次级封装件。
在一些实例中，顶部封装层和底部封装层可包括金属箔或聚合物膜。顶部封装层和底部封装层可包括多层膜构造，该多层膜构造包含多个聚合物层和/或阻隔层。此类膜构造可称为共挤出阻隔层合膜。特别用于本发明中的市售共挤出阻隔层合膜的一个实例可为Scotchpak1109背衬，该背衬由聚对苯二甲酸乙二酯(PET)载体网、气相沉积铝阻隔层和聚乙烯层组成，包括33微米的总平均膜厚度。许多其他类似的多层阻隔膜可为可用的并且可用于本发明的另选实例中。
在包括PSA的设计构造中，封装层表面粗糙度是相当重要的，因为PSA同样也需要密封相对的封装层面。表面粗糙度可由用于生产箔和膜的制造过程产生，例如，采用轧制、挤出、压印和/或压延等的过程。如果表面太粗糙，当所需PSA厚度可为大约表面粗糙度Ra(粗糙度轮廓的算术平均值)时，PSA可能不能以均一厚度施加。此外，如果相对面具有的粗糙度可为大约PSA层的厚度，则PSA不能抵靠相对面充分密封。在本发明中，具有小于10微米的表面粗糙度(Ra)的封装材料可为可接受的实例。在一些实例中，表面粗糙度值可为5微米或更小。并且，在另外的实例中，表面粗糙度可为1微米或更小。表面粗糙度值可通过多种方法来测量，包括但不限于诸如白光干涉法、触针式轮廓仪等测量技术。在表面计量学领域可存在许多实例，表面粗糙度可通过许多另选参数来描述，并且本文所讨论的平均表面粗糙度(Ra)值可旨在代表上述制造过程中固有的特征结构类型。
示例性示出的对生物相容性通电的处理–放置的分隔物
参见图4A至图4N，示出了可涉及处理生物相容性通电元件的步骤的实例。一些示例性步骤的处理可见于各附图中。在图4A中，可示出PET阴极隔离件401和PET间隙隔离件404的组合。PET阴极隔离件401可通过施加PET403的膜而形成，该PET403的膜例如可为约3密耳厚。在PET层的任一侧上可存在PSA层，或者可覆盖有可为大致1密耳厚的PVDF剥离层402。PET间隙隔离件404可由可为大致3密耳厚的PVDF层409形成。可存在可为大致0.5密耳厚的封盖PET层405。在一些实例中，在PVDF层409与封盖PET层405之间可为PSA层。
接着参见图4B，可通过激光切割处理在PET间隙隔离层404中切出孔406。接下来在图4C中，可将切割后的PET间隙隔离层404层合408至PET阴极隔离层401。接着参见图4D，可通过激光切割处理切出阴极隔离件孔410。该切割步骤的对准可与之前PET间隙隔离层404中切割的特征结构对准。在图4E中，用于最终分隔物层的Celgard层412可粘结至载体411。接着参见图4F，Celgard材料可被切割成介于先前两个激光切割孔的大小和约为PET间隙隔离物404中的孔406的大小之间的图案，从而形成预切割分隔物420。接着参见图4G，拾取和放置工具421可用于拾取和放置Celgard的分立件到生长装置上的其所需位置中。在图4H中，放置的Celgard件422被紧固到适当位置，然后移除PVDF剥离层423。接着参见图4I，生长装置结构可被粘结到阳极425的膜。阳极425可包括其上已电沉积有锌阳极膜的阳极集流体膜。
接着参见图4J，阴极浆料430可被放置到所形成的间隙中。在一些实例中可使用刮刀431将阴极混合物分布在整个工件上，并在此过程中填充形成的电池装置的间隙。填充后，可将剩余的PVDF剥离层432移除，从而可得到图4K所示的结构。在图4L中，整体结构可经受干燥处理，该处理可使阴极浆料440也收缩到PET层顶部的高度。接着参见图4M，可将阴极膜层450(其上可已具有阴极集流体膜)结合到生长的结构上。在图4N中，可执行激光切割工艺来移除侧面区域460并产生电池元件470。存在对于本发明的意图内可用的材料和厚度目标的多种更改、删除、改变。
在图5中可详细地示出示例性处理的结果。在一个实例中，可定义以下参考特征结构。阴极化学物510可定位成与阴极和阴极集流体520接触。压敏粘合剂层530可将阴极集流体520保持并密封到PET隔离层540。在PET隔离层540的另一侧面上，可为另一PSA层550，该PSA层将PET隔离层540密封并粘附到PET间隙层560。另一PSA层565可将PET间隙层560密封并粘附到阳极和阳极集流体层。可将镀锌层570电镀到阳极集流体580上。分隔物层590可位于该结构内，以执行如本发明中已定义的相关功能。在一些实例中，可在该装置的处理过程中加入电解质，在其他实例中，该分隔物可已包含电解质。
对生物相容性通电的示例性处理示意图–沉积的分隔物
在图6A至图6F中，示出了可涉及处理生物相容性通电元件的步骤的实例。一些示例性步骤的处理可见于各附图中。存在对在本发明的意图内可用的材料和厚度目标的多种更改、删除、改变。
在图6A中，示出了示例性层状构造600。该层状结构可包括两个层状构造剥离层602和602a；位于层状构造剥离层602和602a之间的两个层状构造粘合剂层604和604a；以及位于两个层状构造粘合剂层604和604a之间的层状构造芯606。可以制作或购买层状构造剥离层602和602a以及粘合剂层604和604a，诸如可商购获得的具有主要衬垫层的压敏粘合剂转移胶带。层状构造粘合剂层可为厚度大约1-3毫米的PVDF层，并且覆盖层状构造芯606。层状构造芯606可包含热塑性聚合物树脂，诸如聚对苯二甲酸乙二酯，其例如可为大致3毫米厚。接着参见图6B，可通过激光切割处理在层状构造中切出用于储存阴极混合物的装置，诸如用于阴极凹坑608的腔。
接下来，在图6C中，可从层状构造移除底部层状构造剥离层602a，从而暴露层状构造粘合剂层604a。然后可使用层状构造粘合剂层604a来粘附阳极连接箔610，以覆盖阴极凹坑608的底部开口。接着参见图6D，可通过粘附掩蔽层612来保护阳极连接箔610的暴露的底层。掩蔽层612可为可商购获得的具有主要衬垫的PSA转移胶带。接下来，在图6E中，可将阳极连接箔610电镀上连贯的金属614，例如锌，该金属涂布阳极连接箔610的位于阴极凹坑内的暴露部分。接着参见图6F，在电镀后将阳极集电掩蔽层612从阳极连接箔610的底部移除。
图7A至图7F示出了处理图6A至图6F中示出的步骤的另选的示例性模式。图7A至图7B可示出类似于图6A至图6B所示的过程。层状结构可包括两个层状构造剥离层702和702a，每端各一个层；位于层状构造剥离层702和702a之间的两个层状构造粘合剂层704和704a；以及位于层状构造粘合剂层704和704a之间的层状构造芯706。可以制作或购买层状构造剥离层以及粘合剂层，诸如可商购获得的具有主要衬垫层的压敏粘合剂转移胶带。层状构造粘合剂层可为厚度大约1-3毫米的聚偏二氟乙烯(PVDF)层，并覆盖层状构造芯706。层状构造芯706可包含热塑性聚合物树脂，诸如聚对苯二甲酸乙二酯，该树脂例如可为大致3毫米厚。接着参见图7B，可通过激光切割处理在层状构造中切出储存装置，诸如用于阴极凹坑708的腔。在图7C中，可获得阳极连接箔710被并且在一侧施加有保护掩蔽层712。接下来，在图7D中，可将阳极连接箔710电镀上连贯的金属层714，例如锌。接着参见图7E，通过将图7B的层状构造粘附到图7D的电镀层714可将图7B和图7D的层状构造结合，以形成图7E所示的新的层状构造。可将图7B的剥离层702a移除，以便暴露图7B的粘合剂层704a，以粘附到图7D的电镀层714上。接下来参见图7F，可将阳极保护掩蔽层712从阳极连接箔710的底部移除。
图8A至图8H示出了通电元件到生物相容性层状结构的示例性具体实施，该生物相容性层状结构在本文中有时被称为层状组件或层合组件，例如，类似于图6A至6F和图7A至7F中所示的层状结构。接着参见图8A，水凝胶分隔物前体混合物820可沉积在层合组件的表面上。在一些实例中，如图所示，可将水凝胶前体混合物820施加在剥离层802上。接下来，在图8B中，可将水凝胶分隔物前体混合物820刮压850到阴极凹坑中，同时将该混合物从剥离层802清除。术语“刮压”一般是指使用平整工具或刮擦工具在表面上涂擦，并且使流体材料在表面上方移动并进入它们所在的腔中。可通过类似于俗语中“刮刀”型装置或者平整化装置诸如刀刃、剃刀刃等的设备来执行刮压过程，所述平整化装置诸如可由多种材料制成的刀刃、刀锋等，所述材料的化学性质可与将要移动的材料一致。
可将图8B所示的过程进行多次，以确保阴极凹坑得到涂布，并增加所得特征结构的厚度。接下来，在图8C中，可将水凝胶分隔物前体混合物干燥以便使材料从水凝胶分隔物前体混合物蒸发，所述材料通常可为各种类型的溶剂或稀释剂；然后，可将所分配和施加的材料固化。在一些实例中，将图8B和图8C中示出的过程组合进行重复也可为可行的。在一些实例中，可通过暴露于热来固化水凝胶分隔物前体混合物，在其他实例中，可通过暴露于光子能量来进行所述固化。在其他实例中，该固化可涉及暴露于光子能量和热两者。可存在固化水凝胶分隔物前体混合物的多种方式。
固化的结果可为将水凝胶分隔物前体材料形成到腔的壁以及接近阳极或阴极特征结构的表面区域，在本实例中可为阳极特征结构。将该材料粘附到腔的侧壁可用于分隔物的分离功能。固化的结果可为形成无水聚合的前体混合物浓缩物822，其可被简单地视为电池的分隔物。接着参见图8D，阴极浆料830可沉积在层状构造剥离层802的表面上。接下来，在图8E中，可将阴极浆料830刮压到阴极凹坑中以及脱水聚合的前体混合物浓缩物822上。可将阴极浆料移动到其在腔中的所需位置，同时在很大程度上将其从层状构造剥离层802清理干净。可将图8E的过程进行数次，以确保阴极浆料830涂布在无水聚合的前体混合物浓缩物822的顶部。接下来，在图8F中，可将阴极浆料干燥，以在无水聚合的前体混合物浓缩物822的顶部上形成隔离的阴极填充物832，该填充物填充阴极凹坑的剩余部分。
接着参见图8G，电解质制剂840可添加到隔离的阴极填充物832，并且使隔离的阴极填充物832与无水聚合的前体混合物浓缩物822水合。接下来，在图8H中，可通过移除剩余的层状构造剥离层802并将阴极连接箔816按压在适当位置来将该阳极连接箔816粘附到剩余的层状构造粘合剂层804。所得放置可导致覆盖水合阴极填充物842，以及建立与阴极填充物842的电接触，作为阴极集流体和连接方式。
图9A至9C示出从图7D所得的层合组件的另选实例。在图9A中，可获得阳极连接箔710并且在一侧施加有保护掩蔽层712。阳极连接箔710可镀有连贯的金属层714，例如锌。采用类似于先前图中描述的方式进行处理。接着参见图9B，可施加水凝胶分隔物910，而无需使用图8E所示的刮压方法。可通过各种方式施加水凝胶分隔物前体混合物，例如可通过物理粘附来粘附混合物的预成形膜；另选地，可通过旋涂工艺来分配水凝胶分隔物前体混合物的稀释混合物，然后调整到所需厚度。另选地，可通过喷涂或任何其他的等效处理来施加材料。接下来，在图9C中，示出了用于形成水凝胶分隔物区段的处理，所述水凝胶分隔物区段可用作分隔物区域周围的容纳构造。该处理可形成限制材料流动或扩散的区域，所述材料诸如所形成的电池元件的内部结构外的电解质。因此，可形成各种类型的此类阻挡特征结构920。在一些实例中，阻挡特征结构可对应于分隔物层的高度交联区域，在一些实例中可通过阻挡特征结构920的所需区域中增加光子能量的暴露来形成阻挡特征结构。在其他示例中，在水凝胶分隔物材料固化前将材料添加到该水凝胶分隔物材料，以形成区域性差别的部分，该部分一经固化就变成阻挡特征结构920。。在另外的示例中，可在固化之间或之后通过各种技术将水凝胶分隔物材料的区域移除，技术包括例如化学蚀刻带掩膜的层以限定区域范围。移除材料的区域本身可形成阻挡特征结构，或作为另外一种选择，可将材料添加回空隙来形成阻挡特征结构。可通过若干方法发生不可透过部分的处理，该方法包括图像输出处理、增加交联、重光定量、回填，或者省略水凝胶粘附。在一些实例中，示出为由图9C的处理所得类型的层状构造或组件可形成为不具有阻挡特征结构920。
聚合电池元件分隔物
在一些电池设计中，可能由于多种原因而不使用分立的分隔物(如先前部分所述)，诸如成本、材料的可用性、材料的质量，或一些作为非限制性实例的材料选项的处理复杂性。在此类情况下，可例如已在图8A至图8H的过程中示出的浇铸分隔物或现场成型分隔物可提供所需的有益效果。尽管淀粉或糊料分隔物已成功商用于AA和其他形式的勒克朗谢电池或碳锌电池中，但此类分隔物可能在某种程度上不适合用于层状微电池的某些实例。需要特别注意的是，在本发明的电池中使用的任何分隔物的几何结构的均匀性和一致性。可能需要精确控制分隔物的体积，以有助于随后准确加入已知的阴极体积并随后实现一致的放电容量和电池性能。
用于实现均匀的、机械上坚固的现场成型分隔物的方法可以是使用可紫外光固化的水凝胶制剂。多种水不可透过的水凝胶制剂在各个行业例如接触镜片行业可为已知的。接触镜片行业中常见的水凝胶的实例可为聚(甲基丙烯酸羟乙酯)交联的凝胶，或简称为pHEMA。对于本发明的多种应用，pHEMA可具有用于勒克朗谢电池和锌碳电池的许多有吸引力的性质。在水合状态下，pHEMA通常可保持大约30-40％的水含量，同时保持大约100psi或更大的弹性模量。此外，本领域的技术人员可通过引入附加的亲水性单体(例如甲基丙烯酸)或聚合物(例如聚乙烯吡咯烷酮)组分来调整交联水凝胶的模量和水含量性质。这样，可通过制剂来调整水含量，或更具体地，水凝胶的离子渗透性。
在一些实例中，特别有利的是，可浇铸且可聚合的水凝胶制剂可包含一种或多种有助于加工的稀释剂。可选择具有挥发性的稀释剂，使得可浇铸的混合物可被刮压入腔中，然后允许干燥足够的时间来除去挥发性溶剂组分。干燥后，可通过暴露于适当波长的光化辐射来引发本体光聚合，诸如对于选定的光引发剂诸如CGI819使用420nm的蓝色紫外光。挥发性稀释剂可有助于提供所需的应用粘度，以便促进在腔中浇铸可聚合材料的均匀层。挥发性稀释剂，特别是强极性单体被加入制剂中的情况下，也可提供有利的表面张力降低效应。对实现在腔中浇铸可聚合材料的均匀层而言重要的另一个方面可为应用粘度。常见的小摩尔质量活性单体通常不具有非常高的粘度，其粘度通常可仅为几个厘泊。为了给可浇铸且可聚合的分隔物材料提供有益的粘度控制，可选择已知与所述可聚合材料相容的高摩尔质量聚合物组分加入制剂中。可适合加入示例性制剂中的高摩尔质量聚合物的实例可包括聚乙烯吡咯烷酮和聚环氧乙烷。
在一些实例中，如前所述，可浇铸、可聚合的分隔物可有利地被施加到设计的腔中。在另选的实例中，在聚合时可没有腔。相反，可浇铸、可聚合的分隔物制剂可被涂覆在含有电极的基底上，例如图案化的镀锌黄铜，并且随后使用光掩模暴露于光化辐射，以便在目标区域选择性地聚合分隔物材料。然后可通过暴露于适当的清洗溶剂来移除未反应的分隔物材料。在这些实例中，分隔物材料可被指定为可光图案化的分隔物。
多组分分隔物制剂
根据本发明实例可用的分隔物可具有可对其功能重要的多种特性。在一些实例中，分隔物可有利地以如下方式形成：产生物理阻隔，使得分隔物的任一侧上的层不彼此物理接触。因此，该层可具有均匀厚度的重要特征，因为虽然出于各种原因薄层可为期望的，但是无空隙或无间隙的层可为必要的。另外，薄层可有利地具有高渗透性，以允许离子自由流动。另外，分隔物需要最佳的水吸收，以优化分隔物的机械性能。因此，该制剂可包含交联组分、亲水性聚合物组分和溶剂组分。
交联剂可为具有两个或更多个可聚合双键的单体。合适的交联剂可为具有两个或更多个可聚合官能团的化合物。合适的亲水交联剂的实例也可包括具有两个或更多个可聚合官能团以及亲水官能团诸如聚醚、酰胺或羟基的化合物。具体的实例可包括TEGDMA(二甲基丙烯酸四乙二醇酯)、TrEGDMA(二甲基丙烯酸三乙二醇酯)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)、乙二胺二甲基丙烯酰胺、二甲基丙烯酸甘油酯以及它们的组合等。
在一些实例中，反应混合物中交联剂使用的量可在如从约0.000415至约0.0156摩尔每100克反应性组分的范围内。所用亲水性交联剂量可大体为约0重量％至约2重量％，例如约0.5重量％至约2重量％。能够增加反应性混合物的粘度和/或增加与慢反应亲水单体诸如高分子量亲水性聚合物氢键结合程度的亲水性聚合物组分是期望的。
高分子量亲水性聚合物提供改善的润湿性，并且在一些实例中，可改善本发明的分隔物的润湿性。在一些非限制性实例中，据信高分子量亲水性聚合物为氢键受体，其在水性环境中与水形成氢键，从而有效地变得更亲水。水的不存在可促进亲水性聚合物结合到反应混合物中。除了特别提到的高分子量亲水性聚合物外，预期任何高分子量聚合物将可用于本发明，前提条件是当所述聚合物被加入示例性硅水凝胶制剂中时，亲水性聚合物(a)基本上不与反应混合物发生相分离，并且(b)向所得的固化聚合物赋予润湿性。
在一些实例中，高分子量亲水性聚合物可在加工温度下溶于稀释剂中。使用水或水溶性稀释剂诸如异丙醇(IPA)的制造过程因其简单且成本低而可为期望的实例。在这些实例中，在加工温度下为水溶性的高分子量亲水性聚合物也可为期望的实例。
高分子量亲水性聚合物的实例可包括但不限于聚酰胺、聚内酯、聚酰亚胺、聚内酰胺，以及官能化的聚酰胺、聚内酯、聚酰亚胺、聚内酰胺诸如PVP以及它们的共聚物，或者通过使DMA与较低摩尔量的羟基官能化单体诸如HEMA共聚，并且随后使所得共聚物的羟基与包含可自由基聚合基团的材料反应而官能化的DMA。高分子量亲水性聚合物可包括但不限于：聚-N-乙烯基吡咯烷酮、聚-N-乙烯基-2-哌啶酮、聚-N-乙烯基-2-己内酰胺、聚-N-乙烯基-3-甲基-2-己内酰胺、聚-N-乙烯基-3-甲基-2-哌啶酮、聚-N-乙烯基-4-甲基-2-哌啶酮、聚-N-乙烯基-4-甲基-2-己内酰胺、聚-N-乙烯基-3-乙基-2-吡咯烷酮和聚-N-乙烯基-4,5-二甲基-2-吡咯烷酮、聚乙烯咪唑、聚-N--N-二甲基丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚环氧乙烷，聚2乙基噁唑啉、肝素多糖、多糖、它们的混合物和共聚物(包括嵌段和无规的、支链的、多链的、栉状或星状的共聚物)，其中聚-N-乙烯基吡咯烷酮(PVP)可为期望的实例，其中已将PVP加入到水凝胶组合物中以形成互穿网络，该互穿网络显示出低表面摩擦度和低脱水率。
还可以包括本领域公知的附加组分或添加剂。添加剂可包括但不限于紫外线吸收性化合物、光引发剂诸如CGI819、活性调色剂、抗微生物化合物、颜料、光致变色剂、剥离剂、它们的组合等。
与这类分隔物相关联的方法还可包括接收CGI819，然后将其与PVP、HEMA、EGDMA和IPA混合，接着通过热源或暴露于光子使所得的混合物固化。在一些实例中，当光子能量与在电磁波谱的紫外线部分中出现的波长一致时可暴露于光子。通常在聚合反应中进行的引发聚合反应的其他方法在本发明的范围内。
集流体和电极
在一些锌-碳电池和勒克朗谢电池的实例中，阴极集流体可为烧结碳棒。这种类型的材料在本发明的薄电化学电池中可能面临技术障碍。在一些实例中，印刷的碳墨可在薄电化学电池中替代烧结碳棒用于阴极集流体，并且在这些实例中，可形成所得装置而不会对所得的电化学电池造成显著损伤。通常，所述碳墨可直接施用于可包括聚合物膜(或在一些情况下为金属箔)在内的封装材料。在封装膜可为金属箔的实例中，碳墨可需要保护下面的金属箔不被电解质化学降解和/或腐蚀。此外，在这些实例中，碳墨集流体可能需要提供从电化学电池内部到电化学电池外部的电导通，这意味着围绕碳墨或穿过碳墨进行密封。由于碳墨的多孔性，在没有巨大挑战的情况下这不是能轻易实现的。碳墨还可施用于具有有限且相对小厚度例如10到20微米的层。在总内封装厚度可仅为约100到150微米的薄电化学电池的设计中，碳墨层的厚度可占电化学电池总内部体积的相当一部分，因此不利地影响电池的电性能。此外，整个电池，特别是集流体的薄特性可意指集流体的小横截面积。由于迹线的电阻随迹线长度而增加并随横截面而减少，所以可直接在集流体厚度和电阻之间进行权衡。碳墨的整体电阻率可能不足以满足薄电池的电阻要求。同样还考虑了填充有银或其他导电金属的油墨，以降低电阻和/或厚度，但是它们可引入新挑战，诸如与新型电解质不相容。考虑到这些因素，在一些实例中，期望的是通过将薄金属箔用作集流体，或将薄金属膜施加到下面的聚合物封装层充当集流体来实现本发明的高效和高性能的薄电化学电池。此类金属箔可具有显著更低的电阻率，因此允许它们以比印刷碳墨小得多的厚度满足电阻要求。
在一些实例中，顶部封装层和/或底部封装层中的一层或多层可充当溅镀的集流体金属或金属叠堆的基底。例如，Scotchpak1109背衬可通过使用被用作阴极集流体的一个或多个金属化层的物理气相沉积(PVD)而被金属化。用作阴极集流体的示例性金属叠堆可为Ti-W(钛-钨)粘附层和Ti(钛)导体层。用作阳极集流体的示例性金属叠堆可为Ti-W粘附层、Au(金)导体层和In(铟)沉积层。PVDF层的厚度总共可小于500nm。如果使用多个金属层，则电化学性和阻隔性可能需要与电池相容。例如，铜可被电镀到籽晶层的顶部以上生出厚的导体层。可在铜上电镀附加层。然而，铜可能与某些电解质(特别是在锌的存在下)电化学不相容。因此，如果铜用作电池中的层，则它可能需要与电池电解质充分隔离。另选地，铜可被排除或被其他金属替代。
在一些其他实例中，顶部和/或底部封装箔也可用作集流体。例如，25微米的黄铜箔可用作锌阳极的阳极集流体。黄铜箔可任选地在电镀锌之前电镀铟。在一个实例中，阴极集流体封装箔可包括钛箔、哈氏合金C-276箔、铬箔和/或钽箔。在某些设计中，一种或多种封装箔可经过精密冲裁、压印、蚀刻、纹理化或激光加工或其他方式处理，以为最终的电池封装提供所需的形式、表面粗糙度、和/或几何形状。
阳极和阳极抗蚀剂
本发明的层状电池的阳极可例如包括锌。在传统的锌碳电池中，锌阳极可采用壳的物理形式，在该壳中可容纳电化学电池的内容物。对于本发明的电池而言，锌壳可为一个实例，但也可存在实现超小电池设计所需的其他物理形式的锌。
电镀锌在许多行业中可具有使用实例，例如，用于金属零部件的保护性涂层或美观涂层。在一些实例中，电镀锌可用于形成本发明的电池中所用的薄且适形的阳极。此外，电镀锌可根据设计意图被图案化成似乎无限多的构型。图案化电镀锌的一种温和方式可为用光掩模或物理掩模处理。电镀掩模可通过各种方法制成。一种方法可为使用光掩模。在这些实例中，可将光致抗蚀剂施加到导电基底，所述基底上可随后被镀锌。所需的电镀图案然后可通过光掩模被投射到光致抗蚀剂，从而导致光致抗蚀剂的所选区域的固化。可利用合适的溶剂和清洗技术来移除未固化的光致抗蚀剂。结果可为可接收电镀锌处理的导电材料的图案化区域。尽管该方法可为待电镀的锌的形状或设计提供益处，但该方法需要使用可用的可光图案化材料，而这些材料对整体电池封装构造可具有约束特性。因此，可能需要用于图案化锌的新颖和新型方法来实现本发明的薄微电池的一些设计。
图案化锌阳极的一种另选方式可为采用物理掩模应用。物理掩模可通过在膜中切出所需孔制成，所述膜具有所需的阻隔特性和/或封装特性。另外，膜可具有施加到其一侧或两侧上的压敏粘合剂。最后，膜可具有施加到一侧或两侧的粘合剂上的保护性剥离衬垫。该剥离衬垫可起到如下双重作用：在孔切割期间保护粘合剂以及在电化学电池组装的具体加工步骤期间，特别是如下文所述的阴极填充步骤期间保护粘合剂。在一些实例中，锌掩模可包括约100微米厚的PET膜，可在所述PET膜的两侧施加约10-20微米膜厚度的压敏粘合剂。两个PSA层可被具有低表面能表面处理的PET剥离膜覆盖，并且可具有50微米的近似厚度。在这些实例中，多层锌掩模可包括PSA和PET膜。如本文所述的PET膜和PET/PSA锌掩模构造可有利地用精密纳秒激光微加工设备诸如牛津激光E系列激光微加工工作站处理，以在掩模中形成超精确孔从而有利于稍后的电镀。实质上，一旦已制成了锌掩模，剥离衬垫的一侧可被移除，并且带有孔的掩模可层合到阳极集流体和/或阳极侧的封装膜/箔。这样，PSA在孔的内边缘处形成密封，从而在电镀期间促进对锌的清洗和精确掩蔽。
可放置锌掩模，然后可对一种或多种金属材料进行电镀。在一些实例中，锌可被直接电镀到电化学相容的阳极集流体箔诸如黄铜上。在阳极侧封装包括已在其上施加籽晶金属化层的一层或多层聚合物膜的另选的设计实例中，锌和/或用于沉积锌的电镀溶液可能与下面的籽晶金属化层无法化学相容。缺乏相容性的表现可包括膜开裂、腐蚀和/或在与电池电解质接触时加剧的H2释放。在这种情况下，可将附加的金属施加到籽晶金属，以在系统中实现更好的整体化学相容性。尤其适用于电化学电池构造的一种金属可为铟。铟可广泛用作电池级锌中的合金添加剂，其主要功能是在电解质存在下为锌提供抗腐蚀性。在一些实例中，铟可被成功地沉积在各种籽晶金属化层诸如Ti-W和Au上。所述籽晶金属化层上所得的1-3微米铟膜可为低压力和低粘附性的。这样，阳极侧封装膜和具有铟顶层的附接集流体可为适形且耐用的。在一些实例中，可将锌沉积到经过铟处理的表面上，所得的沉积层可能非常不均一和为结节状的。这种效应可出现在较低电流密度设置中，例如20ASF。如在显微镜下所观察到的，可观察到锌的结节形成在下面的平滑铟沉积层上。在某些电化学电池设计中，锌阳极层的竖直空间容量可至多达约5-10微米最大值，但在一些实例中，较低电流密度可用于锌电镀，并且所得的结节状生长物可生长得高于最大的阳极竖直容量。结节状锌生长物可来自铟的高的超电势与铟氧化物层的存在的组合。
在一些实例中，较高电流密度DC电镀可克服锌在铟表面上的相对较大结节状生长模式。例如，100ASF电镀条件可产生结节状锌，但是与20ASF的电镀条件相比，其锌结节的尺寸可明显减小。此外，在100ASF电镀的情况下结节数量可大大增加。当满足约5-10微米的垂直空间容量时，所得的锌膜可最终聚结成大体均匀的层，仅有一些残留的结节状生长特征结构。
电化学电池中包含铟的另一个益处可为减少H2的形成，这可为发生在包含锌的水性电化学电池中的缓慢过程。可将铟有利地施加到一个或多个阳极集流体上，所述阳极本身作为共电镀合金部件或作为电镀锌上的表面涂层。对于后一种情况，铟表面涂层可有利地通过电解质添加剂诸如三氯化铟或醋酸铟原位施加。当此类添加剂可以小浓度添加到电解质中时，铟可自然地电镀到暴露的锌表面以及暴露的阳极集流体部分上。
锌，以及类似的常用于市售原电池中的阳极，通常可见为片形式、棒形式和糊料形式。微型生物相容性电池的阳极可具有类似形式例如薄箔，或可如前所述进行电镀。此阳极的特性可与现有电池中的阳极明显不同，这是因为机械加工和电镀过程所造成的污染物或表面光洁度的差异。因此，电极和电解质可需要进行特殊的工程改造以满足容量、阻抗和储存寿命要求。例如，可能需要特殊电镀工艺参数、镀液组合物、表面处理剂和电解质组合物来优化电极性能。
阴极混合物
可存在与本发明的概念一致的许多阴极化学混合物。在一些实例中，可为用于形成电池阴极的化学制剂的术语的“阴极混合物”，可以糊料、凝胶、悬浮液或浆料施用，并且可包括过渡金属氧化物诸如二氧化锰、一些形式的导电添加剂例如可为导电粉形式诸如炭黑或石墨，以及水溶性聚合物诸如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或一些其他粘结剂添加剂。在一些实例中，可包括其他组分，诸如一种或多种粘结剂、电解质盐、抗蚀剂、水或其他溶剂、表面活性剂、流变改性剂，以及其他导电性添加剂诸如导电性聚合物。一旦配制并适当混合后，阴极混合物可具有所需的流变特性，该流变特性允许它被分配到分隔物和/或阴极集流体的所需部分上，或者以类似的方式刮压通过筛网或漏印板。在一些实例中，阴极混合物可在用于稍后电池组装步骤之前干燥，而在其他实例中，阴极可包含一些或所有电解质组分，并且可仅部分地干燥至选定的水分含量。
过渡金属氧化物可为例如二氧化锰。可用于阴极混合物中的二氧化锰可为例如电解二氧化锰(EMD)，因为这种类型的二氧化锰相对于其他形式诸如天然二氧化锰(NMD)或化学二氧化锰(CMD)提供有益的附加比能量。此外，本发明的电池中所用的EMD可需要具有可有利于形成可沉积或可印制阴极混合物糊料/浆料的粒度和粒度分布。特别地，该EMD可被加工以去除可被认为相对于其他特征结构而言大的显著大的颗粒组分，所述其他特征结构诸如电池内部尺寸、分隔物厚度、分配顶端直径、漏印板开口尺寸或筛网尺寸。粒度优化也可用于改善电池性能，例如内阻和放电容量。
研磨是通过压碎、碾磨、切割、振动或其他工艺将固体材料从一个平均粒度减少至较小的平均粒度。研磨也可以用来将有用的材料从其可嵌入的基质材料中释放，并浓缩矿物质。磨机是一种通过碾磨、压碎、或切割将固体材料破碎成较小碎片的装置。可存在用于研磨的若干装置，并且多种类型的材料在其中加工。此类研磨装置可包括：球磨机、砂磨机、研钵和研杵、滚压机、以及喷射研磨机以及其他研磨另选方式。研磨的一个实例可为喷射研磨。研磨之后，固体状态被改变，例如粒度、粒度分布和粒子形状。聚集体研磨工艺还可用于从聚集体去除或分离污染或水分以在运输或结构填充之前制备“干燥填充物”。一些设备可组合各种技术以将固体材料分类为其粒度同时受最小粒度和最大粒度限制的粒子混合物。此类处理可被称为“分级器”或“分级”。
研磨可为用于阴极混合物成分的均一粒度分布的阴极混合物制备的一方面。阴极混合物中的均一粒度可有利于阴极的粘度、流变特性、导电性和其他特性。研磨可通过控制阴极混合物成分的附聚或质量集合而有利于以上特性。附聚—不同元素的聚集。就阴极混合物而言，不同元素可以是碳同素异形体和过渡金属氧化物，如图11所示，附聚可通过在所需的阴极腔中留下空隙而不利地影响填充过程。
此外，过滤可为去除附聚的或不需要的粒子的另一个重要步骤。不需要的粒子可包括超大尺寸粒子、污染物或制备过程中未明确说明的其他粒子。可通过诸如滤纸过滤、真空过滤、层析、微滤以及其他过滤方式的方式完成过滤。
在一些实例中，EMD平均粒径可为7微米，带有可包含颗粒高达约70微米的大粒子内容物。在另选的实例中，该EMD可被过筛，进一步研磨或以其他方式分离或加工，以将大颗粒内容物限制到低于特定阈值，例如25微米或更小。
阴极还可包含二氧化银或羟基氧化镍。此类材料相对于二氧化锰可提供增大的容量和在放电期间更少的负载电压减小，两者均为电池中所需的性质。基于这些阴极的电池可具有存在于行业和文献中的现有实例。采用二氧化银阴极的新型微电池可包括生物相容性电解质，例如由氯化锌和/或氯化铵构成而不是由氢氧化钾构成的电解质。
阴极混合物的一些实例可包括聚合物粘结剂。该粘结剂可在阴极混合物中用作若干功能。粘结剂的主要功能可为在EMD粒子与碳粒子之间形成足够的粒子间电网络。粘结剂的第二功能可为促进与阴极集流体的机械粘附和电接触。粘结剂的第三功能可为影响阴极混合物的流变性质以有利地分配和/或漏印/筛选。另外，粘结剂的第四功能可为增强阴极内的电解质吸收和分布。
粘结剂聚合物的选择以及将使用的量对于本发明的电化学电池中的阴极的功能可为有益的。如果粘结剂聚合物在将使用的电解质中溶解度很高，那么该粘结剂的主要功能(电连续性)可受到极大影响，最终导致电池丧失功能。相反，如果粘结剂聚合物在将使用的电解质中不可溶，那么EMD的部分可与电解质离子绝缘，从而导致电池性能下降，诸如容量减小、开路电压降低和/或内电阻增大。
粘结剂可以是疏水性的，其也可以是亲水性的。本发明所用粘结剂聚合物的实例包括PVP、聚异丁烯(PIB)、橡胶三嵌段共聚物(包括苯乙烯末端嵌段，诸如由KratonPolymers制造的那些嵌段共聚物)、丁苯乳胶嵌段共聚物、聚丙烯酸、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、氟碳固体诸如聚四氟乙烯等。
溶剂可为阴极混合物的一个组分。溶剂可用于润湿阴极混合物，这可有助于混合物的粒子分布。溶剂的一个实例可为甲苯。另外，表面活性剂也可用于润湿，从而分散阴极混合物。表面活性剂的一个实例可为洗涤剂，诸如TritonTMQS-44。TritonTMQS-44可有助于离解阴极混合物中的聚集成分，使得阴极混合物成分更均一地分布。
导电性碳通常可用于阴极的制备。碳能够形成许多同素异形体，或不同的结构修改。不同的碳同素异形体具有不同的物理特性，从而允许改变导电性。例如，炭黑的“弹性”可有助于阴极混合物粘附到集流体。然而，在需要相对低能量的通电元件中，导电性中的这些变化可能相比于其他有利特性较不重要，诸如密度、粒度、导热性和相对均匀性等。碳同素异形体的实例包括：金刚石、石墨、石墨烯、无定形碳(俗称炭黑)、巴克敏斯特富勒烯、玻璃碳(也称为玻璃态石墨)、碳气凝胶以及能够导电的其他可能形式的碳。碳同素异形体的一个实例可为石墨。
完整的阴极混合物制剂的一个实例可在下表中给出：
制剂实例 相对重量
80:20JMEMD/KS6 4.900
PIBB10(来自20％的溶液) 0.100
甲苯 2.980
总量 7.980
其中PIB为聚异丁烯，JMEMD为喷射研磨的二氧化锰，KS6为由Timcal生产的石墨，PIBB10为分子量等级为B10的聚异丁烯。
一旦阴极混合物已被配制和处理完成，可将阴极混合物分配、施用和/或储存到表面诸如水凝胶分隔物或阴极集流体上，或体积诸如层状结构中的腔中。填充到表面上可导致体积随时间推移而被填满。为了施用、分配和/或储存该混合物，可期望一定流变特性以优化施用、分配和/或储存过程。例如，较低粘度的流变特性可更好地填充腔，但同时可能牺牲粒子分布。较高粘度的流变特性可优化粒子分布，同时可能降低填充腔的能力，并可能丧失导电性。
例如，图10A至图10F示出了优化的和非优化的分配或施加到腔中的实例。图10A示出了在施加、分配和/或储存之后，以最佳方式填充有阴极混合物的腔的实例。图10B示出了在底部左象限角1002中未充分填充的腔的实例，这可能是不期望的阴极混合物流变学的直接结果。图10C示出了在顶部右象限角1004中未充分填充的腔的实例，这可能是不期望的阴极混合物流变学的直接结果。图10D和10E示出了在腔的中部1006或底部1008中未充分填充的腔的实例，这可能是不期望的阴极混合物流变学的直接结果引起的气泡。图10F示出了朝腔的顶部1010未充分填充的腔的实例，这可能是不期望的阴极混合物流变学的直接结果。图10B至图10F中示出的示例性缺陷可导致若干电池问题，例如，减少容量、增加内阻和下降的可靠性。
另外，在图11中，附聚1102可由于不期望的阴极混合物流变特性而发生。附聚可导致阴极混合物性能降低，例如放电容量的减小以及内电阻的增大。
在一个实例中，阴极混合物可具有类似于花生酱的稠度，该稠度经优化以用于刮压填充层状构造腔，同时保持导电性。又如，混合物可为足够粘性的以被印刷到腔中。而在另外一个实例中，阴极混合物可被干燥，被放置并储存在腔中。
阴极制造
阴极浆料化学物质可用来确定阴极浆料性能。用于阴极浆料的添加剂可由如下组成：氧化剂、缓冲剂、稳定剂、表面活性剂、钝化剂、络合剂、缓蚀剂、或用于向各种表面赋予选择性的其他制剂。另外，阴极浆料可包含用于胶态稳定性的添加剂和/或用来抵抗pH波动的缓冲剂。研制较好的阴极浆料可能要求平衡这些制剂的组合和其他添加剂，使得它们能实现所要求的性能以及必需的物理和化学特性。
粒度可能影响阴极浆料性能。粒度分布可通过如下方法来测得例如：激光衍射、动态光散射、水动力分级、沉淀和声学方法。在一些实例中，粒度的估计可产生相对值而非绝对值，这取决于所使用的测量技术。尽管如此，基于在处理控制规格内对相对值的控制，浆料材料特性的过程控制可能是有效的。
阴极浆料可由如下组成：液相诸如溶剂，和固相诸如氧化剂、表面活性剂、络合剂、缓冲剂、和/或其他添加剂。由于物理或化学稳定性，可将两种组分分开储存。阴极浆料中组分的数量可影响制造过程。制造过程的稳健性可取决于组分的混合比的最小方差，特别是当组分的数量增加时。在另一方面，它们可能由于包括附加组分而是重要的驱动剂。在非限制性实例中，包括生物杀灭剂来作为阴极浆料的制剂的组分，对于生物相容性和浆料贮存期(在组分混合之后阴极浆料的使用期)的耐久性两者是可用的。在此类实例中，添加额外的生物杀灭剂组分可能不涉及所得电池的有意义性能，但是对于所述的原因依然重要。对浆料混合物中所有组分的混合比进行控制可有助于总体控制复合制剂。在其他实例中，多种组分阴极浆料可具有有限的贮存期。对于一些复合制剂，在浆料通过诸如蒸发或吸收或解吸混合物中的气体的作用而混合之后，随时间发生对浆料的改变。在一些实例中，当添加更多组分时，可能需要考虑对稀释液和pH的控制。
阴极浆料的胶态稳定性也可为重要的制造考虑因素。例如，胶态性质不稳定的阴极浆料可具有从混合物沉淀出来的更多颗粒。因此，不稳定的阴极浆料可需要过滤器的更多的频繁改变，以及可需要特殊混合设备。如果制剂被最佳化为尽可能实用的，并具有胶态不稳定度，则可能要求对各种处理参数的重要监测，以确保制剂保持在期望的规格范围中。作为达到胶态稳定度的一部分，制剂可包括表面活性剂以改变浆料中一些固体的表面特性。在其他实例中，可使用环境控制件来改善胶态稳定性。例如，浆料混合物的温度和将该温度控制在一定范围内可改善稳定性。在一些实例中，因此，在制造期间，用于阴极浆料的制剂可能要求理想的温度范围，制造包括储存、混合和分配方面以及自身电池处理方面。
阴极浆料的性质和组合物可对制造产生影响。在大规模制造中，可通过阴极浆料分配系统(cSDS)来生产和递送阴极浆料，如图12中示出的示例性型式。在图12中，用于阴极浆料的所有试剂1200可以分开地保持在各个保持单元中。这可包括各种固相试剂1202、1204、1208和各种液相试剂1206。在一个实例中，第一固相组分可为喷射研磨的电解二氧化锰(JMEMD)；第二固相试剂可为炭黑；第三固相组分可为聚异丁烯(PIB)；并且第一液相组分可为甲苯。这些试剂可购自商业供应商或室内生产。
不管试剂的来源，必须进行一定程度的试剂处理1210。试剂处理可包括筛分1212、1214、1218，过滤1216，或两者。在一个实例中，JMEMD可被筛分1212成最佳的粒度；炭黑可被筛分1214成最佳的粒度；PIB可被筛分1218成最佳的粒度；并且甲苯可被过滤1216以移除任何污染物或不需要的颗粒。筛分的方式可包括使用筛分工具诸如：篮式粗滤器、Y型滤器、喇叭口式滤器、底阀滤器、金属筛、滤锅、刻度筛、网格滤器和用于粒度分布的其他装置。可通过诸如如下过滤方式来实现过滤：滤纸、微量过滤、超滤、纳米过滤、色谱分析和其他过滤形式。
一旦试剂已经被处理，就准备将它们转移到试剂预混合1220。取决于所希望的阴极浆料类型，试剂可以多种组合来预混合。一个实例可为在一个单元中将两种固相预混合在一起，以及在另一个单元中将一种固相与一种液相混合。例如，JMEMD和炭黑可在一种固相预混合物1222中预混合在一起，并且甲苯和PIB可在不同的液相预混合物1224中预混合在一起。
在预混合后，cSDS可结合增加的功能性，该功能性允许监测和保持阴极浆料质量1230，阴极浆料质量对于最大化产量可为重要的。每个预混合单元可能要求不同的质量控制测量1232和1234，该预混合单元被最优化以用于其正接收的预混合相。常见的测量参数可包括pH、比重和粒度分布、以及氧化物浓度。另外，泵、阀、配件和其他部件可对阴极浆料特性产生影响。在一个实例中，通过适当检查，固相预混合物1222可要求粒度分布质量控制1232。
为监测阴极浆料的表现，可测定物理属性和化学特性两者。物理特性的测量可包括：pH、每加仑重量、比重、导电性和固体百分比。考虑到阴极浆料可能以Newtonian方式(粘度与剪切速率无关)起作用，可通过使用BROOKFIELD粘度计来测量粘度，该测量是可用的。然而，对于阴极形成有用的浆料的一些制剂可导致这样的浆料：其可被表征为非Newtonian阴极浆料。在非Newtonian阴极浆料动力学的实例中，使用剪切速率流变仪或压力控制流变仪来测量作为剪切速率的函数的粘度。对于根据本公开的实例的用于填充腔的阴极浆料的应用有用的粘度的实例可为约250,000Pa·s。粘度可为重要的度量，其作为质量控制系统的一部分，可能需要在cSDS回路以及在分布期间被测量，以最小化在生物相容性电池的制造期间被递送的浆料的特性的变化性。
在质量控制之后，固相和液相可混合在一起1240以形成浆料混合物1242。浆料混合物可包含在电池中，在该电池中不断发生混合以便防止浆料相分开。这可通过使用工业规模的混合容器来实现。
一旦已经完成浆料混合，就可执行另一过滤和质量控制步骤1224。通过该质量控制的阴极浆料可进行到浆料储存1250。浆料储存可用于高产量制造，以跟上产量要求。包含在储存容器中的阴极浆料混合物可能需要再循环1253回到浆料混合1242中，以便将固相和液相再混合回到浆料混合物中。可使用该步骤，因为保持在整个cSDS的运输线中的浆料可能也要求再混合。阴极浆料混合物再循环可通过如下方式实施：双隔膜或波纹管泵，以及压力/压力方法或真空/压力方法。齿轮泵、叶片泵或离心泵可产生可使在系统中聚集的高剪切。例如，1m/s的最小流动速率可用于阴极浆料再循环。在进行到浆料分配/填充1260之前，浆料储存器1252中的阴极混合物然后可进行到过滤和质量控制步骤1254。
浆料分配/填充可要求获得具有腔的层状结构1262。一旦获得带腔的层状结构1262，阴极浆料混合物可被沉积到希望的表面例如层状结构上。可通过例如如图8所示的刮压法来完成分配/填充。在浆料分配/过滤之后，可执行干燥步骤1270，包括干燥或蒸发1272多余的液相诸如甲苯。
已经参考本发明以示例性方式描述了多个步骤。应当理解，在本文范围内，此类性质的各种修改、添加、删除、改变都是可能的。例如，各种材料可具有对它们执行的除已经描述的预处理或后处理。
在cSDS中处理阴极浆料可为复杂的人物，并且需要小心确保阴极浆料不被损害。这可能意味着不使阴极浆料经受太高(可能引起聚集)或太低(可能引起沉淀)的剪切，保持容器的顶部空间潮湿并对系统执行常规维护。对cSDS系统的优化可能需要减少聚集以及最小化过程变化。
电池架构和制造
电池架构和制造技术可为紧密相关的。如已在本发明前面部分中所讨论，电池具有以下元件：阴极、阳极、分隔物、电解质、阴极集流体、阳极集流体和封装。巧妙设计可尝试容易地组合这些元件来制造子组件。在其他实例中，经优化的设计可具有双重用途部件，例如，将金属封装兼作集流体。从相对体积和厚度的角度来看，这些元件除了阴极以外可几乎全部为相同体积。在一些实例中，由于阴极和阳极二者在机械密度、能量密度、放电效率、材料纯度以及粘结剂、填充物和导电剂的存在方面的显著差异，所以电化学系统可需要阴极体积为阳极体积的约二(2)到十(10)倍。在这些实例中，各种部件的相对尺度可大致为以下元件厚度：阳极集流体＝1μm；阴极集流体＝1μm；电解质＝隙间液体(有效地0μm)；分隔物＝如期望那样薄或厚，其中设计的最大厚度可为约15μm；阳极＝5μm；以及阴极＝50μm。对于元件的这些实例，需要提供足够保护以在使用环境中维持电池化学物质的封装可具有约50μm的设计最大厚度。
在一些实例中，可根本不同于大的棱形构造诸如圆柱形或矩形，并且可不同于基于晶片的固态构造，此类实例可使用制成各种构型的网或片而呈“袋”状构造，电池元件布置在此构造内。此容纳构造可具有两个膜或折叠在另一侧上的一个膜，任一构型可形成两个大致平坦的表面，然后可被密封到周边以形成容器。此薄但宽的形状因数可使电池元件本身薄且宽。此外，这些实例可能适用于涂布、凹版印刷、丝网印刷、喷涂或其他类似制造技术。
在这些具有薄但宽的形状因数的“袋状”电池实例中，可存在内部部件诸如阳极、分隔物和阴极的多种布置。在由两个膜形成的闭合区域内，这些基本元件可为在相同平面上并列的“共平面”，或者在相对平面上面对面的“共面”。在共平面布置中，阳极、分隔物和阴极可沉积在相同表面上。对于共面布置，阳极可沉积在表面1上，阴极可沉积在表面2上，并且分隔物可置于二者之间，或沉积在其中一侧上，或作为自身的分隔元件插入。
另一类型的实例可被分类为层合组件，这可涉及使用网或片形式的膜来逐层构建电池。片可使用粘合剂粘结到彼此，所述粘合剂诸如压敏粘合剂、热活化粘合剂或基于化学反应的粘合剂。在一些实例中，片可通过焊接技术诸如热焊接、超声波焊接等粘结。片可使自身适用于标准行业惯例，如卷对卷(R2R)或片对片组装。如前文所述，阴极的内部体积可能需要基本上大于电池中的其他活性元件。电池构造的大部分可需要形成该阴极材料的空间，并支撑起在电池挠曲期间迁移。电池构造中可占厚度预算大部分的另一部分是分隔物材料。在一些实例中，片形式的分隔物可为层合处理提供有利的解决方案。在其他实例中，可通过将水凝胶材料分配到层中充当分隔物而形成分隔物。
在这些层合的电池组件实例中，成形产品可具有阳极片，所述阳极片可为封装层和阳极集流体以及阳极层基底的组合。成形产品还可具有任选的分隔物隔离件片、阴极隔离件片和阴极片。阴极片可为封装层与阴极集流体层的组合。
电极与集流体之间的紧密接触对于减小阻抗和增大放电容量而言是至关重要的。如果电极的一部分不与集流体接触，则阻抗可由于随后通过电极导通(与集流体相比通常导电性较小)而增加，或电极的一部分可变成完全断开连接的。在纽扣电池和圆柱形电池中，通过机械力夹紧壳、将糊料压入壳中或通过类似方式来实现紧密性。波形垫圈或类似的弹簧可用于市售电池中以保持电池内的力；然而，这些波形垫圈或弹簧可增加微型电池的总体厚度。在典型的贴片电池中，分隔物可充满电解质，横跨电极放置，并且通过外部封装向下压。在层状共面电池中，存在增加电极紧密性的若干方法。可将阳极直接电镀到集流体上，而不使用糊料。该方法固有地获得高水平的紧密性和导电性。然而，阴极通常为糊料。虽然阴极糊料中存在的粘结剂材料可提供粘附力和内聚力，但仍需要机械压力以确保阴极糊料与阴极集流体保持接触。当封装挠曲且电池老化并放电时，例如当水分通过薄且小的密封件离开封装时，这可能是特别重要的。可通过在阳极与阴极之间引入适形分隔物和/或电解质来在层状共面电池中实现对阴极的压缩。例如，凝胶电解质或水凝胶分隔物可压缩在组件上并且不会如液体电解质那样轻易地离开电池。一旦电池被密封，电解质和/或分隔物可随后抵靠阴极推回。在组装层状叠堆之后可进行压印步骤，从而向叠堆中引入压缩。
在生物相容性电池中使用的阴极混合物可用于生物相容性装置例如植入式电子装置诸如起搏器和微能量收集器、监测和/或测试生物功能的电子药丸、具有活性部件的外科装置、眼科装置、微型泵、除颤器、支架等。
已描述了具体的实例来举例说明在生物相容性电池中使用的阴极混合物的示范实施例。这些实例用于所述举例说明，而无意以任何方式限制权利要求书的范围。因此，说明书旨在涵盖对于本领域技术人员可能显而易见的全部实例。

Claims (24)

1.一种用于制造在生物相容性电池中使用的阴极浆料的方法，包括以下步骤：
将一种或多种液相预混合物与一种或多种固相预混合物混合成阴极浆料混合物；
获得层状结构，其中所述层状结构的体积被移除以形成腔；
过滤所述阴极浆料混合物；以及
将所述阴极浆料混合物分配到所述层状结构的腔中，以形成在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括检查所述固相预混合物和所述液相预混合物的质量。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在过滤所述阴极浆料混合物之后，储存并再循环所述阴极浆料混合物。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括干燥所述阴极浆料混合物。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述液相预混合物包含一种或多种试剂，其中至少一种试剂是液相试剂。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括过滤所述液相试剂。
7.根据权利要求5所述的方法，其中一种液相试剂包括溶剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述溶剂包括甲苯。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述固相预混合物包含一种或多种固相试剂。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述固相试剂筛分成均一粒度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述固相试剂包含喷射研磨的电解二氧化锰。
12.根据权利要求9所述的方法，其中一种固相预混合物包含过渡金属氧化物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述过渡金属氧化物包括二氧化锰。
14.根据权利要求9所述的方法，其中一种固相试剂包含碳同素异形体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述碳同素异形体包括石墨。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述石墨包括炭黑。
17.根据权利要求5所述的方法，其中所述液相预混合物包含疏水性粘结剂。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述疏水性粘结剂包括聚异丁烯（PIB）。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述疏水性粘结剂包括氟碳固体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述氟碳固体包括聚四氟乙烯（PTFE）。
21.一种用于制造在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极的方法，包括以下步骤：
获得甲苯、二氧化锰、炭黑和聚异丁烯；
过滤甲苯；
筛分二氧化锰；
筛分炭黑；
筛分聚异丁烯；
将所述甲苯和所述聚异丁烯混合成液相预混合物；
将所述二氧化锰和所述炭黑混合成固相预混合物；
检查所述固相预混合物和所述液相预混合物两者的质量；
将所述固相预混合物和所述液相预混合物混合成阴极浆料混合物；
过滤所述阴极浆料混合物；
储存所述阴极浆料混合物；
再循环所述阴极浆料混合物；
获得层状结构，其中所述层状结构的体积被移除以形成腔；
过滤所储存的阴极浆料混合物；
将所过滤的阴极浆料混合物分配到所述层状结构的腔中；以及
干燥所述阴极浆料混合物，以形成在生物相容性电池中使用的生物相容性阴极。
22.一种用于制造在生物医疗装置中使用的阴极浆料的方法，包括以下步骤：
将一种或多种液相预混合物与一种或多种固相预混合物混合成阴极浆料混合物；
获得层状结构，其中所述层状结构的体积被移除以形成腔；
过滤所述阴极浆料混合物；以及
将所述阴极浆料混合物分配到所述层状结构的腔中，从而形成在生物医疗装置中使用的阴极浆料；
其中所述生物医疗装置包括插入件装置，所述插入件装置包括：
　　响应于控制电压信号的电活性元件；
　　生物相容性电池；
　　其中所述生物相容性电池包括：
　　第一电极和第二电极；
　　阳极；
　　分隔物；
　　层状结构，其中所述层状结构的至少一个层的体积被移除以形成腔；和
　　所述阴极浆料，其中所述阴极浆料的一种组分的至少平均分子大小通过研磨所述组分在粒度方面减小；并且
　　其中所述阴极浆料能够基于其流变性填充所述腔，同时在所述腔中保持所述层状结构的导电性；和
电路，所述电路电连接到生物相容性电池，其中所述电路提供所述控制电压信号。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述生物医疗装置是接触镜片。
24.一种制造在生物医疗装置中使用的阴极浆料混合物的方法，包括以下步骤：
将一种或多种液相预混合物与一种或多种固相预混合物混合成阴极浆料混合物；
获得层状结构，其中所述层状结构的体积被移除以形成腔；
过滤所述阴极浆料混合物；以及
将所述阴极浆料混合物分配到所述层状结构的腔中，从而形成在生物医疗装置中使用的阴极浆料混合物；
其中所述生物医疗装置包括：
　　插入件装置，所述插入件装置包括：
　　　　响应于控制电压信号的电活性元件；
　　　　生物相容性电池；
　　　　其中所述生物相容性电池包括：
　　　　第一电极和第二电极；
　　　　阳极；
　　　　分隔物；和
　　　　用于储存阴极混合物的所述腔；
　　其中所述阴极混合物能够基于其流变特性来储存，同时保持导电性和生物相容性；
　　其中所述阴极浆料混合物包含：
　　　　二氧化锰；
　　　　石墨；
　　　　聚异丁烯(PIB)；
　　　　甲苯；并且
　　其中所述阴极混合物的一种组分的至少平均分子大小通过研磨所述组分在粒度方面减小；和
　　电路，所述电路电连接到所述生物相容性电池，其中所述电路提供所述控制电压信号。
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