CN105390714A - 用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法。本发明公开了用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法。在一些实例中，所述用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法涉及热焊接、激光焊接或两者，其中通过能够密封的聚合物膜包封层状结构。在一些实例中，该设备和方法的使用领域可包括任何需要通电元件的生物相容性装置或产品。

Description

用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法

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

本发明描述了用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法。在一些实例中，用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法的使用领域可包括任何需要能量的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之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。

另外，可能需要保护这些通电元件，使其免受周围环境影响，以便维持其功能和性能。这可能包括使流体流入或流出通电元件。举例来说，置于接触镜片中的生物相容性电池可能会暴露于泪液，从而可能导致流体与阳极和阴极接触，最终缩短电池寿命。因此，需要保护通电元件，使其免受外部环境影响。

发明内容

因此，本发明公开了用于密封并包封生物相容性通电元件的装置和方法，其在维持生物相容性通电元件所需的生物相容性、性能和功能的同时提供电化学和生物相容性优点。

一个总体方面包括由能够密封的聚合物膜包封的生物相容性通电元件。可以对该能够密封的聚合物膜进行处理，以便用其自身形成密封，且与生物相容性通电元件之类的元件一起形成密封。另外，该能够密封的聚合物膜可以围绕通电元件形成包封件，同时保持生物相容性通电元件内的腔结构。生物相容性通电元件可包括：第一集流体和第二集流体、阴极、阳极、电解质以及包括腔的层状结构。

生物相容性通电元件的具体实施可具有以下特征中的一种或多种。能够密封的聚合物膜可包含聚丙烯。能够密封的聚合物膜可以通过焊接方式处理。能够密封的聚合物膜还可利用粘合剂粘附到生物相容性通电元件。能够密封的聚合物膜可被焊接到生物相容性通电元件内容纳的分隔物。能够密封的聚合物膜可被焊接到生物相容性通电元件内容纳的分隔物架。能够密封的聚合物膜可被焊接到生物相容性通电元件的集流体。生物相容性通电元件可用于生物医疗装置中。生物医疗装置可以是眼科装置。眼科装置可以是接触镜片。

另一个总体方面包括用于包封生物相容性通电元件的方法，其中该方法包括：获得能够密封的第一聚合物膜；将第一集流体放置在能够密封的第一聚合物上；将第一电极放置在第一集流体上；将分隔物架放置在第一集流体上，其中使分隔物架包围第一电极，并且其中分隔物架在层状结构内生成限定的腔；将分隔物放置在分隔物架上，其中使分隔物在腔内围住第一电极；将第二电极放置在分隔物上；将能够密封的第二聚合物放置在第二集流体上；以及将能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起，以形成密封的且包封的通电元件。生物相容性通电元件可包括：第一集流体和第二集流体、阴极、阳极、电解质以及包括腔的层状结构。

用于包封生物相容性通电元件的方法的具体实施可具有以下特征中的一种或多种。第一聚合物层和第二聚合物层可包含聚丙烯。将能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起可包括焊接。将能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起可包括用粘合剂将能够密封的第一聚合物和第二聚合物粘附起来。能够密封的第一聚合物和第二聚合物可包括粘合剂与能够密封的第一聚合物和第二聚合物的焊接的组合。该方法还可包括用粘合剂将第一集流体和第二集流体粘附到分隔物架。该方法还可包括用粘合剂将能够密封的聚合物膜粘附到生物相容性通电元件。该方法还可包括使能够密封的聚合物膜金属化，以形成金属化的聚合物膜。该方法还可包括通过焊接用通电元件密封金属化的聚合物膜。该方法还可包括通过焊接将金属化的聚合物膜密封到集流体。该方法还可包括将生物相容性通电元件放置到插入件中。该方法还可包括将插入件放置到生物医疗装置中。生物医疗装置可以是眼科装置。眼科装置可以是接触镜片。

附图说明

以下是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说明，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。

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件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和阴极连接件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12A至图12F示出了胶凝的电解质在生物相容性通电元件中的示例性用途。

图13A至图13C示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性设计。

图14A至图14H示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性方法步骤。

图15A至图15D示出了示例性通电元件的示例性剖视图。

图16A至图16G示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的另选示例性方法步骤。

具体实施方式

本申请中公开了在生物相容性电池中使用的生物燃料电池。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。可设计生物燃料电池和包含该生物燃料电池的结构以用于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

在下文的说明和权利要求书中，可用到各种术语，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且薄的沉积物。

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；合成的和天然的沸石，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“电离盐”是指能溶于溶剂中以生成溶解在溶液中的离子的离子固体。在多种实例中，溶剂可包括水。

如本文所用的“模具”是指可以用于由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周期内流动的恢复能力。

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，“分隔物架”是指生物相容性通电元件中用于避免分隔物周围发生边缘短路的元件，其实施方式为切割分隔物、液体分隔物或这两种分隔物的组合。分隔物架可以是接受机械加工(例如激光加工)并再放置到电池构造内的聚合物诸如聚丙烯。分隔物架需要是能够密封到封装膜的顶部和底部的材料；也可以是玻璃或陶瓷之类的另一种材料，只要能被切割和密封即可。粘合剂、亮漆、环氧树脂、沥青等物质可以与刚性分隔物架结合使用。

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，当基底为印刷电路板时，电路迹线可包括铜或金，并且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。一种特定类型的通电元件可为以层形式制造的电池。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

可包括本发明的通电元件、电池的生物医疗装置的实例可以是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描述为接触镜片插入件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可作为多个主要部件，在此例中是三个部件，并可包括本文讨论的各种电池化学元件构造。电池元件110可具有各种互连特征结构，以将可示出为在互连件区域114下方的件接合在一起。电池元件110可连接至电路元件，该电路元件可具有自身的基底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，矩形可以是小矩形形状273，较大矩形形状274，或者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件311和阴极连接件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件331和阴极连接件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，可将电池形式的轮廓配置成在尺寸和几何形状上与定制产品贴合。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、生产装置中所用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，此类起搏器通常可用焊接、密封的钛外壳进行封装，或在其他实例中，进行多层包封。新兴的动力生物医疗装置可为封装尤其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。在这些实例中，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。IC的进展也可允许非常小的装置。

用于生物医疗应用的微电池可需要满足许多同步的、挑战性的需求。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铸造厂可提供数字区块的标准单元，例如，已经表征并额定用于特定的电压范围的逆变器和触发器。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，还可以在三维表面上制作光伏，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被称为电池封装中的失效点。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。

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断裂，但是电极的机械及电化学性质可由挠曲而发生改变。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和0.500mm(每边)之间，并且活性电池部件目标宽度可为大约0.800mm。其他生物医疗装置可有不同的设计约束，但用于柔性扁平电池元件的原理可以相似方式应用。

腔作为电池部件设计中的设计元素

在一些实例中，可采用使活性电池化学物质区域分段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。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。

如前面提到的，聚烯烃分隔物隔膜可固有地疏水，并且可需要制成对用于本发明的电池中的含水表面活性剂为可润湿的。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。可用于本发明的示例性有机硅烷可以是(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。

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，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的膜啦形成，该PET403的膜例如可为大约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约1密耳厚的PVDF剥离层402。PET间隙隔离件404可由可为大约3密耳厚的PVDF层409形成。可存在可为大约0.5密耳厚的封盖PET层405。在一些实例中，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材料可被切割成尺寸介于之前两个激光切割孔的尺寸之间，并且约为PET间隙隔离件中的孔406的尺寸，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)粘结到生长结构。在最后的图4N示意图中，可执行激光切割过程来移除侧区域460并产生电池元件470。可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、删除和改变。

在图5中详细地示出了示例性处理的结果。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。可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、删除和改变。

在图6A中示出了层状构造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，该树脂例如可为大约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示出进行图6A至图6F所示的步骤的另选模式。图7A至图7B可示出类似于如图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，该树脂例如可为大约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，可通过将图7B的层状构造粘附到图7D的电镀层714来使图7B和图7D的层状构造相结合，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。可使用类似术语“刮刀”式装置或者平整化装置的设备来进行刮压过程，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所示的过程进行数次，以确保涂布阴极凹坑，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。接着，在图8E中，可用装置850将阴极浆料830刮压到阴极凹坑中以及刮压到无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。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。接着，在图9C中，示出了可进行处理以形成可用作围绕分隔物区域的容纳构造的水凝胶分隔物的区段。该处理可形成限制材料流动或扩散的区域，所述材料为诸如所形成的电池元件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920可与分隔物层的高度交联区域对应，而在一些实例中可通过阻挡特征结构920的所需区域对光子能量的增加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。在另外的实例中，可在固化之前或之后通过各种技术将水凝胶分隔物材料的区域移除，所述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，或者，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。尽管淀粉或糊剂分隔物已成功商用于AA和其他的勒克朗谢电池或碳锌电池中，但这种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中。需要特别注意用于本发明电池中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，本领域的普通技术人员可通过加入额外的亲水性单体(如甲基丙烯酸)或聚合物(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特性。这样，可通过配置来调整水含量，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。稀释剂可被选择成为挥发性的，使得可浇铸的混合物可被刮压到腔中，然后允许干燥足够的时间来移除挥发性溶剂组分。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，以便有助于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和/或它们的组合。

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，高分子量亲水性聚合物可为氢键受体，其在水性环境中与水形成氢键，从而有效地变为更亲水的。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，可预期任何高分子量聚合物都可用于本发明，前提条件是当将所述聚合物加入示例性有机硅水凝胶制剂中时，亲水性聚合物(a)基本上不会与反应混合物发生相分离，并且(b)赋予所得的固化聚合物润湿性。

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、聚乙烯基咪唑、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-乙基唑啉、肝素多糖、多糖以及它们的混合物和共聚物(包括嵌段或无规、支链、多链、梳形或星形共聚物)，其中在PVP已被添加到水凝胶组合物而形成互穿网络(该互穿网络显示出低程度的表面摩擦和低脱水率)的情况下，聚-N-乙烯基吡咯烷酮(PVP)可为期望的实例。

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。

与这些类型的分隔物相关的方法还可包括接收CGI819，然后再将其与PVP、HEMA、EGDMA及IPA混合，接着通过热源或将所得的混合物暴露于光子使其固化。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。在薄电化学电池的设计中，总的内封装厚度可仅为约100到150微米，而碳墨层的厚度可占电化学电池总内部体积的相当大一部分，因此对电池的电性能产生不利影响。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已有横截面而减少，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，可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)粘合剂层和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以其他方式处理，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简单方式可为使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提供形状或设计上的有益效果，但该方法可能需要使用可用的可光图案化的材料，所述材料对整体电池封装构造可具有约束性质。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，该膜具有所需的阻隔性质和/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，一旦制成了锌掩模，剥离衬垫的一侧就可被移除，并且具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。在阳极侧封装件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。铟可作为电池级锌中的合金剂而被广泛使用，其主要功能是在电解质的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。籽晶金属化层上所得的1-3微米铟膜可为低应力和低粘附性的。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，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、硫酸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，铟可自发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一次电池中的阳极，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

存在许多可与本发明的概念一致的阴极化学混合物。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”，可以糊剂、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。可用于本发明的研磨的一个实例为喷射研磨。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所示及下文所述，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Triton^TMQS-44。Triton^TMQS-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。

下表1中给出了完整的阴极混合物制剂的一个实例：

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

表1

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示出了将分散或施用到腔中的优化及未优化过程。图10A示出了施用、分配和/或储存过程后，阴极混合物最佳填充的腔。图10B示出底部左侧象限1002未完全填充的腔，这可为不期望的阴极混合物流变特性的直接结果。图10C示出了顶部右侧象限1004并未被完全填充的腔，这可为阴极混合物不期望的流变特性的直接结果。图10D和图10E示出了腔的中间1006或底部1008并未被完全填充的腔，该腔可以是由阴极混合物不期望的流变特性直接造成的气泡。图10F示出了朝向腔的顶部1010并未被完全填充的腔，这可为阴极混合物不期望的流变特性的直接结果。图10B至图10F中示出的缺陷可造成若干电池问题，例如容量的减小、内阻的增大及可靠性的降低。

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。

电解质

电解质是促进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。如本文所用，电解质可以是含有合适的溶剂和离子种类的溶液。该溶液可能是合适的，原因是其可以维持这些离子种类的存在形态。电离溶质可以是在添加到溶剂中时溶解成溶剂化离子种类的物质。在一些实例中，电离溶质可以是电离盐。含有离子种类的电解质溶液可具有散布于其中的离子种类，故可以维持导电性。

在一些实例中，这种重要的电化学活性可对形成生物相容性装置带来挑战。例如，氢氧化钾(KOH)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(例如电解质)对活细胞的安全性。这些结果结合电池封装件的测试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以及其他生理学方面。

用于本发明的电解质可包括从大约0.1％至50％、并在非限制性实例中可为大约25％的质量浓度的氯化锌、乙酸锌、硫酸锌、溴化锌、水合葡萄糖酸锌、硝酸锌和碘化锌、乙酸铵和氯化铵。特定的浓度可取决于溶解度、电化学活性、电池性能、储存寿命、密封完整性和生物相容性等等。在一些实例中，可在电池系统的组合物中应用几类添加剂。可将添加剂混合到基底电解质制剂中以改变其特性。例如，胶凝剂诸如琼脂可减轻电解质从封装件中泄漏出来的能力，从而增强安全性。其他实例可包括羧甲基纤维素或纤维素胶。其他实例可包括羟丙基甲基纤维素。也可将抗蚀剂(例如醋酸铟)添加到电解质，例如，通过减轻电极材料(例如锌阳极)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将电解质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，可期望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Triton^TMX-100、Triton^TMQS44和Dowfax^TM3B2。一种示例性电解质制剂可包含大约10％至20％的ZnCl₂，大约250ppm至500ppm的Triton^TMQS44，大约100ppm至200ppm的铟+3离子(以醋酸铟形式施用)，余量为水。

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。胶凝的或水胶凝的电解质还可以具备足够的电性能，同时能够维持抗泄漏性，从而保存生物相容性。胶凝电解质的有益效果还可能是，使用胶凝电解质后，就不再需要设置电池分隔物，此时胶凝电解质的渗透特性还可用于防止电极之间出现电短路。举例来说，柔性不对称超级电容器使用含水Ca(NO₃)₂-SiO₂凝胶电解质中的超薄二维纳米片状MnO₂和单层石墨，实现了极佳的电化学性能(诸如，能量密度至多97.2Whkg^-1，比基于MnO₂的传统超级电容器的能量密度高得多；另外即便在10,000次操作循环后，电容损耗也不会超过3％)，同时还保持了生物相容性。

这些类型的胶凝电解质可通过例如以下方式进行配制：将硝酸钙(Ca(NO₃)₂)溶于去离子水中，制得2摩尔硝酸钙的水溶液；添加按重量计百分比为1％的羧甲基纤维素(CMC)；添加按重量计百分比为10％的二氧化硅(SiO₂)，将所有物质混合均匀，静置，直到出现胶凝。

图12A至图12F示出了胶凝的电解质在生物相容性通电元件中的示例性用途。在图12A中，可使用拾取和放置工具1221来拾取切下或预成形的一块胶凝电解质并将其放置到通电元件上的预期位置。在图12B中，可将放置的胶凝电解质块1222紧固到适当位置，然后可移除PVDF剥离层1223。接着参见图12C，生长装置结构可被粘结到阳极1225的膜。阳极1225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12D，阴极浆料1230可被放置到所形成的间隙中。在一些实例中可使用刮刀1231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1232移除，从而可得到图12E所示的结构。在图12F中，整体结构可经受干燥处理，该处理可使阴极浆料1240也收缩到PET层顶部的高度。可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、删除和改变。

储备电池

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。例如，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。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。

在其他实例中，可由本文已论述的任何电解质制剂制造储备电池，其中利用储存装置将电解质与电池单元隔开。在一些实例中，对储存装置的物理作用(例如向储存装置施加力)可能有计划地使储存装置破裂，由此使电解质流入电池单元，随后激活电极中化学物质的电势，这种电势随即转化为电能。在一些其他实例中，储存装置的密封件可被电激活。例如，向薄的金属密封件施加电势可能会使该密封件熔融，从而允许电解质流出储存装置。在另外的实例中，可利用会被电激活的孔，以使电解质从其储存装置中释出。就这些实例而言，通常存在电力来源以激活电解质，使其流入一次电池。使用电感能量来源或光敏能量来源(即光电池)可以获得受控的信号，这种信号能够提供促使电解质释放的电能。

出于一收到信号便激活电解质流入一次电池的这种目的，使用第二储备电池也可能是理想的。第二储备电池可以是较小的电池，用于促使其周围的流体扩散到一次电池中。在形成没有电解质的第二储备电池装置之后，储存寿命可能延长。将该电池装置组装到生物医疗装置例如接触镜片中后，可将该生物医疗装置储存在盐水溶液中。该盐水溶液可以扩散到电池中，从而激活第二储备电池。后续的激活信号(例如开启装有接触镜片的封装后，接触镜片暴露于光)可以激活主(储备)电池，促使电解质流入电池装置并激活电池。

盐水电解质可具有相比于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。接触镜片储存在“润湿溶液”中，此溶液通常为氯化钠与以下缓冲剂的混合物，也可能是其他盐与以下缓冲剂的混合物。这些缓冲剂例如为硼酸钠、硼酸、柠檬酸、柠檬酸盐、碳酸氢盐、TRIS(2-氨基-2-羟甲基-1,3-丙二醇)、双-三(双(2-羟乙基)-亚氨基-三(羟甲基)-甲烷)、双-氨基多元醇、三乙醇胺、ACES(N-(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸)、BES(N,N-双(2-羟乙基)-2-氨基乙磺酸)、HEPES(4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸)、MES(2-(N-吗啉代)乙磺酸)、MOPS(3-[N-吗啉代]-丙磺酸)、PIPES(哌嗪-N,N'-双(2-乙磺酸)、TES(N-[三(羟甲基)甲基]-2-氨基乙磺酸)、这些物质的盐，磷酸盐缓冲剂如Na2HPO4、NaH2PO4和KH2PO4或它们的混合物。润湿溶液的制剂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。在一些实例中，暴露于人眼泪液可以使电池装置能够运转。

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件的电池来说可能是具有挑战性的要求。在接触镜片中使用的储备电池可具有类似于图1和图3中所示的设计，但是可能无法在制造时添加电解质。如上所述，电解质可以储存在盛装接触镜片的安瓿中，并连接至空电池单元。层状电池构造的一个腔还可用于储存电解质，使电解质与电极分开。在其他实例中，可将接触镜片周围的盐水溶液以及因而电池周围的盐水溶液用作电解质。可在接触镜片和电池封装件内设计阀或端口，用于在使用者激活镜片之前，始终保持电解质与电极分离。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能有必要。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。

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、阳极集流体和封装件。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，将金属封装件兼作集流体。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近似以下元件厚度：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件可具有约50μm的设计最大厚度。

在一些实例中，这种构造可能根本不同于大的棱形构造诸如圆柱形或矩形，且可能不同于基于晶片的固态构造，其可以使用制成各种构型的网或片而呈袋状构造，电池元件布置在其内部。此容纳构造可具有两个膜或折叠到另一侧上的一个膜，其任一构型可形成两个大致平坦的表面，这两个表面随后可被密封到周边形成容器。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。

在这些具有薄却宽的形状因数的袋状电池实例中可能有内部部件诸如阳极、分隔物和阴极的多种布置。在由两个膜形成的闭合区域内，这些基本元件可以是在相同平面上并列的共平面形式，或者可以是在相对平面上面对面的共面形式。在共平面布置中，阳极、分隔物和阴极可沉积在相同表面上。在共面布置中，阳极可沉积在表面1上，阴极可沉积在表面2上，分隔物可置于二者之间，或沉积在其中一侧上，或作为自身的分隔物元件插入。

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、超声波焊接等粘结到一起。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来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、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。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，跨电极放置，并且通过外部封装件向下压。

有多种方法能够增大层状共面电池中的电极紧密性。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。当封装件是挠曲的并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件时，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。

密封并包封电池元件

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(bulkmaterial)。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。理想的是，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，塑料对水分可为固有多孔的，并且不同类型的塑料可显著不同。工程材料、层合物或共挤出物可以是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。密封性能可以是密封材料、密封厚度、密封长度、密封宽度、密封工序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，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。它们对水浸的效应可为惰性的。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。

图13A至图13C示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性设计。图13A至图13C的元件可能与之前图示的那些元件一致。从图13A开始，示出了具有包封件的示例性生物相容性通电元件的俯视图。能够密封的包封件1301可以包封至少容纳带阳极的阳极集流体1302、带阴极的阴极集流体1304和内部粘合剂/密封剂1308的通电元件。能够密封的包封件1301可包括能够密封的聚合物膜，例如聚丙烯。内部粘合剂/密封剂1308可包括压敏粘合剂，例如聚异丁烯。

聚异丁烯(PIB)是一种可商购获得的材料，其可被配制到满足许多要求(即便不是全部所需要求)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组合物可包含在溶剂混合物中的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。通常的方法可为使用大部分低摩尔质量的PIB，例如B10来实现润湿、粘性和粘附性，并且使用少部分高摩尔质量的PIB来实现韧性和抗流动性。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。由于这些原因，用于生物相容性层状微电池中的PSA的示例性增粘剂可包括完全或大部分氢化的烃树脂增粘剂，诸如得自EastmanChemicalCorporation的Regalrez系列增粘剂。

接着，图13B示出了具有包封的生物相容性通电元件的示例性自底向上视图。图13B示出了在不同示例性密封位点1306处密封的能够密封的塑料包封件1301的能力。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。

图13C示出具有包封的生物相容性通电元件的示例性长边视图，该生物相容性通电元件容纳带阳极的阳极集流体1302、带阴极共混物1312的阴极集流体1304、放置在分隔物架1311上的分隔物1310、粘合剂/密封剂1308以及多个示例性密封位点1306。在例如用热处理对能够密封的包封件1301进行处理后，该包封件1301可以从生物相容性通电元件的顶部和底部将该元件的部件包封起来，然而，该元件中容纳阳极集流体1302和阴极集流体1304的端部可能还是容易泄漏的。因此，添加密封位点1306可能有必要。可用采用多种密封方法密封集流体密封位点，包括例如采用焊接、粘合剂、亮漆、环氧树脂、沥青，或对压敏粘合剂进行热处理。

在一些实例中，根据本发明的通电元件可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，如果电池存储在潮湿的环境中，那么电池内部和外部的局部压力差可能变得很小，从而导致水分损失速率减小，因而电池的寿命可延长。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。

密封并包封生物相容性通电元件的方法

图14A至图14H示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性方法步骤。图14A至图14H的方法步骤可通过以下方式来执行：将多层材料层层堆叠，从而构造出本文描述并示出的层状结构。首先参见图14A，可以获得能够密封的第一聚合物膜1401，例如聚丙烯。接着参见图14B，可将阴极集流体1404放置在能够密封的聚合物膜1401上。可使用粘合剂/密封剂1408，沿着外边缘粘合/密封阴极集流体1404，此粘合剂/密封剂1408可用于将这些层粘附到一起。在图14C中，可将阴极共混物1412沉积在阴极集流体1404上。配制的阴极共混物1412可以具备能够粘附到其自身或其相邻层的粘合与内聚性质。参见图14D，可将分隔物架1411放置在阴极集流体1404上，其中可使分隔物架1411与密封剂/粘合剂1408接触，以便粘附到已有结构。可以在该层合结构中安置阴极共混物1412之处的整个长度上留出空隙的方式将分隔物架1411添加到层合结构。这种空隙可用于产生可在其中安置阴极共混物1412的腔。接下来，参见图14E，可将分隔物1410放置在分隔物架1411和阴极共混物1404上。

参见图14F，阳极1402可包括阳极集流体，可将阳极1402添加到安置于分隔物1410上的层状结构。可将粘合剂/密封剂1408添加到阳极集流体1402，添加方式与添加到阴极集流体1404中的方式类似，以便将这些层粘附到一起。接着，在图14G中，可以获得能够密封的第二聚合物膜1401(例如聚丙烯)，将其放置在添加有粘合剂/密封剂1408的阳极集流体1402上，通过粘合剂/密封剂1408将第二聚合物膜1401和阳极集流体1402粘附到一起，从而将层状结构的顶层和底层包封起来。

图14H示出了在层状结构中的粘合剂/密封剂1408位点处用最终密封方式(例如激光焊接、超声波焊接或其他类似的焊接方式)处理了该层状结构的端部后得到的示例性层状结构。一旦在粘合剂/密封剂位点处实现了密封，集流体互连器(例如阳极互连器1412和阴极互连器1414)便应当能从封装层状结构外部随意触及。图14I示出了最终包封步骤的示例性实施例，其中层状结构的所有侧面都已密封好，只有集流体互连器暴露在外。对层状结构的密封可通过密封方式和粘附方式的不同组合来完成。举例来说，假设层状结构为矩形，在这种情况下，该矩形由两条长边和两条短边组成，可对长边进行激光焊接，同时可用压敏粘合剂把短边粘附起来，或对长短边执行相反操作。另选地，可完全利用焊接或完全利用压敏粘合剂将层状结构的所有边缘一致密封起来。密封的类型可取决于密封的特性，以及较之需要一定程度渗透性，对完全密封的要求。

图15A至图15D示出了例如图14G示出的示例性通电元件的示例性剖视图。图15A中，示例性通电元件被示出为具有以下通电部件：能够密封的顶部和底部聚合物膜1501、带阳极的阳极集流体1502、带阴极共混物1512的阴极集流体1504、放置在分隔物架1511上的分隔物1510，以及粘合剂/密封剂1508。可以认为图15A绘出的视图为通电元件的“长边”视图，另外，可以认为图15B至图15D绘出的视图为通电元件的“短边”视图。

接着，在图15B中，通电元件的短边视图示出了重叠放置的示例性部件。能够密封的聚合物膜1501、粘合剂/密封剂1508和分隔物架1511可全部包含相似材料，因此使它们能够融合在一起。在利用例如热处理或激光处理来处理通电元件之后，能够密封的聚合物膜1501可开始密封并包封生物相容性元件的部件，同时还与粘合剂/密封剂1508、分隔物架1511或两者融合，如图15C所例示。这些部件的融合可在通电元件包封的至少一个边缘上发生。最后，在图15D中，示出了通电元件的短边的示例性最终视图，其中能够密封的聚合物膜1501通过与分隔物架1511的融合包封了通电元件的多个部件。在一些实例中，能够密封的聚合物膜1501可直接融合到分隔物而不是分隔物架1511。分隔物架可通过粘附到粘合剂/密封剂1508进一步封装并密封通电元件，粘合剂/密封剂1508继而可粘附到互连器，诸如阴极集流体1504。另选地，能够密封的聚合物膜1501可以某种方式(热、超声等)处理为与材料具有相似性的能够密封的聚合物膜1501融合。另外，能够密封的聚合物膜1501可以某种方式金属化，然后能够直接融合到金属互连器，诸如阴极集流体1504。

图15A至图15D中示出的电极放置方式的一个另选形式可为在部分密封能够密封的聚合物层之后将电极插入层状结构中。这可通过某些方法来完成，诸如将电极插入其相应位置。

图14A至图14H中示出的示例性方法步骤的一个另选形式可为图16A至图16G中示出的示例性方法步骤。图16A至图16G示出了用于密封并包封生物相容性通电元件的示例性方法步骤，其中两个不同半块不是在一个步骤中按照从下到上的方法进行构造，而是可以分别构造，然后组合成完整的层状结构。图16A至图16C示出了用于构造层状结构的底部区段的示例性方法步骤，而图16D至16G示出了用于构造其顶部区段的示例性方法步骤。从图16A开始，可将阴极集流体1604放置在能够密封的聚合物膜1601的顶部上。阴极集流体1604可在外边缘上衬有粘合剂/密封剂1608，粘合剂/密封剂1608可用于将各层粘附在一起。接着，在图16B中，分隔物架1611可放置在阳极集流体1604上，在这里它可与粘合剂/密封剂1608接触，从而粘附到已有的结构。分隔物架1611可以某种方式添加到层状结构，使得在层状结构的长度上留下空隙。这可通过例如插入两个不同的分隔物架，每个分隔物架处于阳极集流体1604的各一侧上来实现，或者通过将分隔物架的实心板材横跨阳极集流体1604放置，然后通过例如切下分隔物架的中间部分以加工出中间片段，从而来实现。通过添加分隔物架1611形成的空隙可用于形成一个腔，阴极共混物可最终停留在该腔中。在图16C中，可将阴极共混物1612涂布到层状结构，进入该腔内。可通过多种方式将阴极共混物1612施用到层状结构，例如，通过刮压涂布、印刷涂布、针涂布、或其他将粘性共混物涂布到腔内的方式。

图16D至图16G示出了用于构造层状结构的顶部区段的示例性方法步骤。在图16D中，可将阳极和阳极集流体1602放置在能够密封的聚合物膜1601上。阳极和阳极集流体1602可在外边缘上衬有粘合剂/密封剂1608，粘合剂/密封剂1608可用于将各层粘附在一起。接着，在图16E中，可将分隔物1610放置在阳极和阳极集流体1602上。在图16F中，图16C和图16E中示出的结构可彼此重叠地组合，以使结构的粘合剂/密封剂1608排整齐。组合之后，阴极共混物1612可分散到腔中，同时仍保持与分隔物1610、分隔物架1611和阴极集流体1604接触。图16G示出了利用最终密封方式诸如激光焊接、超声焊接或其他相似方法在粘合剂/密封剂1608部位处理层状结构的端部之后的示例性层状结构。一旦在粘合剂/密封剂位点处实现了密封，集流体互连器(例如阳极互连器1612和阴极互连器1614)便应当能从封装层状结构外部随意触及。

生物相容性通电元件通常需要电解质。电解质可在组装之前预润湿到阴极和分隔物上。电解质可在被放置到封装件中之后分散到阴极和/或分隔物上。电解质可在刚刚放置顶部封装件之后添加，或者另选地，可在部分密封电池之后通过针分散到电池中。

对层状结构的密封可通过密封方式和粘附方式的不同组合来完成。举例来说，假设层状结构为矩形，在这种情况下，该矩形由两条长边和两条短边组成，可对长边进行激光焊接，同时可用压敏粘合剂把短边粘附起来，或对长短边执行相反操作。另选地，可完全利用焊接或完全利用压敏粘合剂将层状结构的所有边缘一致密封起来。密封的类型可取决于密封的特性，以及较之需要一定程度渗透性，对完全密封的要求。密封可作为以下操作的结果发生：将能够密封的顶部聚合物膜密封到能够密封的底部聚合物膜；将聚合物膜直接密封到分隔物架；将聚合物膜的金属化型式密封到集流体；或任何其他密封层状结构的相似方法。

生物相容性电池模块中附加封装件和基底的考虑

可能会有大量有关封装和基底的考虑，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，其中这些封装层可尽可能薄，例如10至50微米。另外，封装可对储存寿命期间的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，表面粗糙度(Ra)小于10微米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。

已经描述了具体的实例来举例说明用于密封并包封生物相容性电池的方法的示范实施例。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 (29)

1.一种生物相容性通电元件，包括：

第一集流体和第二集流体；

阴极

阳极；

电解质；

层状结构，所述层状结构包括腔结构；和

用于所述通电元件的包封件，其中所述包封件为能够密封的聚合物膜，其中所述能够密封的聚合物膜经处理以形成对自身和对所述生物相容性通电元件的元件的密封。

2.根据权利要求1所述的生物相容性通电元件，其中所述能够密封的聚合物膜包含聚丙烯。

3.根据权利要求1所述的生物相容性通电元件，其中所述能够密封的聚合物膜通过焊接的方式处理。

4.根据权利要求3所述的生物相容性通电元件，其中所述能够密封的聚合物膜进一步利用粘合剂粘附到所述生物相容性通电元件。

5.根据权利要求3所述的生物相容性通电元件，其中所述能够密封的聚合物膜被焊接到容纳在所述生物相容性通电元件内的分隔物。

6.根据权利要求3所述的生物相容性通电元件，其中所述能够密封的聚合物膜被焊接到容纳在所述生物相容性通电元件内的分隔物架。

7.根据权利要求3所述的生物相容性通电元件，其中所述能够密封的聚合物膜被焊接到所述生物相容性通电元件的集流体。

8.一种生物相容性通电元件，包括：

第一集流体和第二集流体；

阴极

阳极；

电解质；

层状结构，所述层状结构包括腔结构；和

用于所述通电元件的包封件，其中所述包封件包含聚丙烯，其中所述聚丙烯经焊接以在围绕所述生物相容性通电元件的所述包封件的至少一个边缘上形成密封。

9.根据权利要求8所述的生物相容性通电元件，其中所述生物相容性通电元件在生物医疗装置中使用。

10.根据权利要求9所述的生物相容性通电元件，其中所述生物医疗装置是眼科装置。

11.根据权利要求10所述的生物相容性通电元件，其中所述眼科装置是接触镜片。

12.一种用于包封生物相容性通电元件的方法，其中所述方法包括：

获得能够密封的第一聚合物膜；

将第一集流体与第一电极放置在所述能够密封的第一聚合物上；

将分隔物架放置在所述第一集流体上，其中所述分隔物架包围所述第一电极，并且其中所述分隔物架在层状结构内形成限定的腔；

将分隔物放置在所述分隔物架上，其中所述分隔物将包封所述腔内的所述第一电极；

将第二电极与第二集流体放置在所述分隔物上；

将能够密封的第二聚合物膜放置在所述第二集流体上；以及

将所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起以形成密封的且包封的通电元件，其中所述生物相容性通电元件包括：

第一集流体和第二集流体；

阴极

阳极；

电解质；和

层状结构，所述层状结构包括腔。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述能够密封的第一聚合物膜和第二聚合物膜包含聚丙烯。

14.根据权利要求12所述的方法，其中将所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起包括焊接。

15.根据权利要求12所述的方法，其中将所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起包括用粘合剂将所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物粘附起来。

16.根据权利要求12所述的方法，其中将所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起包括粘合剂与所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物的焊接的组合。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括用粘合剂将所述第一集流体和第二集流体粘附到所述分隔物架。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括用粘合剂将所述能够密封的聚合物膜粘附到所述生物相容性通电元件。

19.根据权利要求12所述的方法，还包括使至少能够密封的聚合物膜金属化，以形成金属化的聚合物膜。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括通过焊接将所述金属化的聚合物膜与所述通电元件密封。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括通过焊接将所述金属化的聚合物膜密封到集流体。

22.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将所述生物相容性通电元件放置到插入件中；以及

将所述插入件放置到生物医疗装置中。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述生物医疗装置是眼科装置。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述眼科装置是接触镜片。

25.一种用于包封生物相容性通电元件的方法，其中所述方法包括：

获得能够密封的第一聚合物膜；

将第一集流体放置在所述能够密封的第一聚合物上；

将分隔物架放置在所述第一集流体上，其中所述分隔物架在层状结构内形成限定的腔；

将分隔物放置在所述分隔物架上；

将第二集流体放置在所述分隔物上；

将能够密封的第二聚合物膜放置在所述第二集流体上；以及

将所述能够密封的第一聚合物和第二聚合物密封到一起以形成密封的且包装的通电元件，其中所述生物相容性通电元件包括：

第一集流体和第二集流体；

分隔物；和

层状结构，所述层状结构包括腔。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括将第一集流体放置在所述第一集流体与所述分隔物之间。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第一电极的放置包括将所述第一电极注入到所述第一集流体与所述分隔物之间的所述层状结构中。

28.根据权利要求25所述的方法，还包括将第二电极放置在所述第二集流体与所述分隔物之间。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述第二电极的放置包括在将所述能够密封的第二聚合物膜放置在所述第二集流体上之前将所述第二电极放置到所述第二集流体上。