CN107431151A - 可调节的电池堆叠以及在设备外壳中使用的方法 - Google Patents

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Abstract

惰性材料被包括在电池的电极组件中，该惰性材料当较薄电极用于构造具有减少容量的电池时具有补偿电极组件的尺寸的差异的厚度，以藉此被容纳在统一尺寸的电池壳体中，而不管电池的电特性。

Description

可调节的电池堆叠以及在设备外壳中使用的方法
技术领域
本公开涉及电化学电源电池单元(cell)以及合并这种电源电池单元的电池(battery)组件。本公开的各种实施例找到特定应用以在用于对植入式医疗设备供电的原电池(primary batteries)的配置中使用。
背景技术
以电池形式的电化学电池单元常规用于对许多类型的电子设备供电，并且可用于多种形式，例如，包括圆柱形电池单元、纽扣电池单元、软包(pouch)电池单元以及方形(prismatic)电池单元。
1990年代早期引入的方形电池单元在要求优化的空间使用的应用中被有利地利用，并且例如在用于被植入到患者体内的医疗设备(诸如，植入式心脏复律除颤器(ICD)以及心脏再同步治疗设备(CRT-D))的电源中找到应用。
电池由交替的电池单元子组件的布置构成，每个子组件包括正电极(阳极)、负电极(阴极)以及在它们之间并且也可选地在邻近的子组件之间插入的分离器层。电池可采取平面导电构件的形式，平面导电构件可选地被实现为板、卷绕的(wound)导电层、或导电材料的其他配置。在一些实施例中，一个或多个子组件的阴极电极(多个)被平行地连接到正电流集电器，并且其阳极电极(多个)被平行地连接到负电流集电器。这提供了子组件中的每一个的结合的电流递送能力，因为阳极电极(多个)和阴极电极(多个)的界面表面的表面区域(界面区域)被有效地总计(sum)。输出电压是各个组件的输出电压。电池单元的电流递送能力因此与阴极和阳极组件之间的总的界面区域成比例，并且可通过改变界面区域(例如，电池单元堆叠中的板的界面区域)的占地面积(footprint)来进行控制。替代地，串联地连接子组件，在此情况下，递送的电压是子组件中的每一个的结合的电压，其中，电流递送能力是各个子组件中的给定子组件的电流递送能力。因此，电池的电压与电流特性可被改变。
电池单元的容量(其是由电池以化学方法存储的EMF电势的测量值(通常以安培-小时为单位))是由电池中所包含的活性材料(即，阳极材料与阴极材料)的质量来确定的。电池容量表示在某些指定条件下可从电池提取的能量的最大量。电池单元容量与阴极与阳极(在两者之间具有适当的库仑平衡)的总质量成比例，并且被确定为与界面区域的占地面积、阴极与阳极子组件的数量、每个子组件中的板的数量以及阴极板与阳极板的厚度有关。
取决于子组件的所得体积(例如但不限于，方形电池中的堆叠(stack)厚度)，在实现具有期望功率递送能力与功率容量的电池中，由于阴极板或阳极板的数量、阴极板或阳极板的厚度、或者阴极子组件与阳极子组件的总数量的改变，常规设计的电池的总体尺寸将变化，从而要求不同尺寸配置的装箱(encasement)。
在医疗植入式设备的领域中，要求相当多的测试以确保给定的设备满足适当的标准以用于人类。这对设备的装箱也是真实的，该装箱必须被构造成确保设备充分好地密封并且具有足够的结构完整性以植入人体内。因此，如果给定的装箱可用于多种医疗设备的话将是有利的。然而，医疗设备的功率要求变化，并且随着该变化，电池的尺寸也变化。本公开描述了在这些现有技术之上的改进。
通常设计植入式医疗设备使得对其进行充电的电池具有少于其他部件的设计寿命的工作寿命，这是基于总的能量容量。这对于设备可靠性来说是重要的，因为电池寿命可被相当容易地预测，并且患者和/或医师他们在通过设备感测电池的剩余能量来替换设备的时间之前可被给予足够的警告。如果设备被设计成使得电池可潜在地笔其他部件中的任一个长久(outlast)，对患者和/或医师的这样的警告可能是困难的。
经常地，医疗设备将在不同的模块中制造，所有的模块从相同的主要部件进行组装，但是其中每个具有不同的一组特征。有时，不同的特征组将以大不相同的速率(功率)消耗设备电池容量，从而导致不同模块的寿命的显著不同。在那些情况下，需要选择电池能量容量以用电池消耗的最高情况递送期望的寿命。在极端情况下，寿命的不同可能是如此之大，从而期望在不同的模块中提供不同的电池容量，使得在最长持久的模块中的电池的寿命将不会超过其他设备部件中的任一个的设计寿命。还有可能的是，不同模块的不同功率消耗可要求不同功率能力的电池。通常当这些情况中的任一种发生时，不同电池占据不同的体积，从而要求总体设备机械设计的改变。因为不再在设备模块之间共享部件，所以部件成本以及设备成本上升。如此，期望发展电池族(family)，它们使用相同的外壳，但是具有不同的功率与容量。
发明内容
提供了电池的各种实施例以及用于制造这种电池的方法，该电池的各种实施例允许具有不同功率能力和/或容量的电池单元被容纳在统一尺寸的包封(envelope)中。根据本公开的电池的实施例涉及由阳极板与阴极板的交替组件(其中，包含电解质的分离器被插入在阳极板与阴极板之间)构成的电池单元或多个电池单元，该电池单元或多个电池单元具有允许设备(例如，可植入在患者体内的医疗设备)族的配置，该设备被构造在标准化的电池装箱周围，但是其可具有不同的功率能力和/或容量。根据本公开的各种实施例的方法允许具有不同功率供应特性的多种类型的电池(其配合(fit)在相同的装箱内)被高效地制造。
简单而言，通过在电极组件中包括惰性材料插入件(insert)或多个惰性材料插入件来实现以上目标，该插入件当较薄的电极(阳极和阴极)或较少数量的电极被用于构造具有减少容量的电池时，具有对电极组件的高度的不同进行补偿的厚度，以藉此被容纳在统一高度的电池壳体中，而不管电池的功率输出特性。可选地，具有适当选择厚度的惰性材料也可代替分离器中的一个或多个。
根据本公开的实施例，由方便地以板的一般形式的惰性材料构成的至少一个间隔器被放置在电极组件的顶部和/或底部处，用于维持设计之间的恒定组件尺寸。
根据本公开的另一实施例，电池包括至少两个电池单元子组件，每个电池单元子组件包括至少一个阳极与至少一个阴极、以及插入在它们之间的分离器，并且由惰性材料构成的至少一个间隔器被放置在构成电池的电池单元子组件之间的电极板的组件内，以允许恒定的组件尺寸，而不管电池电特性。
根据本公开的又一实施例，提供了制造包括电子模块的生产线的方法，该电子模块分别具有彼此不同的功率要求。制造了多个共同的装箱，该共同的装箱具有电池隔间与电子隔间。电子隔间被配置成接受多个电子模块中的任一个。提供了电极组件，每个电极组件包括至少一对阳极以及阴极，其中分离器被设置在它们之间。电极组件分别配置成匹配电子模块的不同功率要求，使得电极组件中的一些电极组件具有与电极组件中的其他电极组件不同的尺寸。电子模块分别被插入到对应数量的多个共同的装箱的电子隔间中。对于对应数量的多个所述共同的装箱中的每一个，选择电极组件中的一个电极组件以匹配插入到共同的装箱中的电子模块的功率要求，将电极组件中的所选的一个电极组件插入到电池隔间中，并且如果所选的电极组件占据比由电池隔间所提供的少的空间，以便在电池隔间中留出未占据的体积，则将惰性插入件插入到未占据的空间中，以便将未占据的空间填充到防止电极组件的移位所需的程度。
在一些实施例中，本公开提供了被构造在标准化装箱以及标准化电池装箱周围的上电的电子部件(诸如可植入在患者体内的医疗设备)族，使得它们使用统一尺寸的电池来进行上电并且可用不同的功率能力和/或容量来配置。在一些实施例中，本公开提供了用于任选地使用堆叠的板技术高效地制造多种类型电池的方法，该多种类型的电池具有不同的功率能力和/或容量，配合在相同的装箱配置内。
从结合附图阅读的以下描述中，本公开的上述和其它目的、特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记表示相同的元件。本公开被认为包括上述特征和本文包含的对应描述的所有功能组合以及本文所述的进一步特征的所有组合，并且不限于作为示例的图中所示的特定结构实施例。本公开的范围和精神被认为包括受益于本公开的本领域技术人员可以做出的修改，该修改替代权利要求中呈现的元件、权利要求书语言所阅读的或与其等同的装置或结构，并且该修改产生与出于对本公开的设备与方法的操作目的在本公开中所标识的那些对应示例相关联的基本相同的结果。此外，本公开的范围和精神旨在由权利要求语言本身及其等同物的范围进行定义，而不包括在说明书中所讨论的、在权利要求语言本身中未提及的结构或功能限制。
各种实施例的附加特征与优点将在随后的描述中部分地陈述，且将从该描述部分地显而易见，或可通过各种的实施例的实践获知。将通过在描述和所附权利要求中特别指出的元件和组合的方式来实现和获得各种实施例的目的和其他优点。
附图说明
图1是根据本申请的实施例的示例性医疗设备的透视图；
图2a是包括由板电极堆叠组成的电极组件的图1的示例性医疗设备的电池的部件的分解透视图；
图2b是图1的示例性医疗设备的电池的电池盖、板电极堆叠、以及装箱分解前视图；
图2c是图1的示例性医疗设备的电池的前视图；
图3a是根据本申请的实施例的电池的示意性横截面视图的侧视图；
图3b是图3a的电池的示意性横截面图的侧视图；
图4是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件的上面；
图5是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件的上面和下面；
图6是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件之间或者电极组件内；<0}
图7是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件上面；
图8是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件上面；
图9a是根据电池的现有技术实施例的的高速率双电池单元电池实施例的简化示意图；
图9b是根据电池的另一现有技术实施例的的高速率双电池单元电池实施例的简化示意图；
图9c是根据电池的另一现有技术实施例的的高速率双电池单元电池实施例的简化示意图；
图9d是根据电池的另一现有技术实施例的的高速率双电池单元电池实施例的简化示意图；
图10a是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件的上面；
图10b是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置在电极组件的上面；以及
图11是根据本申请的另一实施例的另一电池的示意性横截面图的侧视图，其中惰性插入件被设置成邻近电极组件。
具体实施方式
出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非以其他方式指出，成分的所有表达数量、材料的百分比或比例、反应条件、以及说明书和权利要求书中使用的其他数值应被理解为在所有情况下由术语“大约”来修改。因此，除非相反地指出，否则在以下说明书和所附权利要求中陈述的数值参数是近似值，这些近似值可根据本公开所寻求获得的期望性质而变化。最小限度上，且不试图将等同原则的应用限制在权利要求书的范围，至少根据所报告的有效数字的数目并且应用普通的舍入技术来解释这些数值参数。
尽管陈述本申请的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是在特定示例中所陈述的数值尽可能精确地来报告。然而，任何数值固有地包含必然由它们相应的测试度量中找到的标准差产生的某些误差。此外，本文所公开的所有范围要理解成包含其中包括的任何且全部子范围。例如，“1到10”的范围包括最小值1与最大值10之间的任何且所有子范围(并包括最小值1和最大值10)，即，具有最小值等于或大于1且最大值等于或小于10的任何且所有子范围，例如5.5到10。
在一些实施例中，本公开提供了可调节的电池电极组件。在一些实施例中，本公开提供了一种采用用于制造被构造在标准化电池装箱周围的医疗设备的方法的系统。在本公开的一些实施例中，一种方法提供了具有不同功率能力和/或能量容量的电池，以及提供了用于有效地制造多种类型的这样的电池(其配合在相同的装箱内)的方法。
在一些实施例中，系统包括任选地使用堆叠的板配置来制造的电池。在一些实施例中，电池包括电池单元，该电池单元具有一个或多个阳极组件以及一个或多个阴极组件(它们交替地堆叠以形成电池单元)。在一些实施例中，阳极组件与阴极组件中的每一个分别包括一个或多个阳极板或阴极板。在一些实施例中，惰性材料的板被放置在电池单元的顶部或底部处，并用于维持恒定的堆叠尺寸。
在一些实施例中，电池单元的功率递送能力与阳极子组件和阴极子组件之间的总的界面面积成比例。在一些实施例中，通过改变电池单元堆叠的占地面积以及阳极子组件与阴极子组件的数量来控制功率递送能力。在一些实施例中，电池单元的功率递送能力与阳极与阴极(两者之间具有合适的库仑(coulombic)平衡)的总体积成比例。在一些实施例中，通过改变电池单元堆叠的占地面积、阳极子组件与阴极子组件的数量、每个子组件中的板的数量、以及阳极板与阴极板的厚度来控制功率递送能力。在一些实施例中，可改变电池单元设计，使得堆叠厚度由于阳极板或阴极板的数量的变化、阳极板或阴极板的厚度的变化、或阳极子组件与阴极子组件的总数量的变化而改变，并且可通过将惰性材料的板添加到堆叠的顶部、堆叠的底部、或者两者来恢复原始堆叠厚度。如此，具有不同功率能力以及容量的各种电池单元可与相同装箱内的相同的容差配合。在一些实施例中，单腔室ICD与双腔室ICD以及三腔室CRT-D可各自使用包括电池装箱的相同的机械平台，并根据每种设备的能量容量要求来使用不同的电池单元设计。
参见图1到图2c，示出了示例性堆叠的板极电池106的实施例。例如，参见如2013年12月24日授权给Viavatine的题为“Electrochemical Cell With Electrode ElementsThat Include Alignment Apertures(具有包括对准孔径的电极元件的电化学电池单元)”的美国专利号8,614,017中公开的堆叠的板极电池。图1描绘了IMD 100，作为示例，IMD 100可以是植入式脉冲发生器(IPG)(例如，起搏器)，或植入式复律器-除颤器(ICD)。IMD 100包括装箱900、电池106以及电子模块，该电子模块，例如但不限于，由控制模块104与电容器(多个)108组成。控制模块104控制IMD 100的一个或多个感测和/或刺激功能，所述功能可经由引线109来执行。电池106给电容器(多个)108充电并给控制模块104供电。
在图2a中示出了电池盖110和电极堆叠120的示例性组件的分解透视图。阳极板电极130与阴极板电极140是电池106的电极元件。在一些示例中，阳极板电极130与阴极板电极140可以是基本上平面的，在其他示例中，阳极板电极130与阴极板电极140可以是沿着一个或多个轴弯曲的，诸如，例如但不限于，以圆形构造的螺旋卷绕组件或者以椭圆形配置布置的螺旋形。也可使用其他形成形状。
电池106具有电池壳体，从而形成基本上密封的外壳，由如示出了电池106的组装的图2b和2c中所示的罩子(casement)111和顶盖110组成。如图2a中所示，馈通件(feedthrough)112A和112B(“馈通件112”)延伸穿过顶盖110，并且每个包括套圈113A、113B(“套圈113”)中的一个，馈通销114A、114B(“馈通销114”)中的一个和绝缘体115A、115B(“绝缘体115”)中的一个。在一些示例中，馈通销114具有小于0.050英寸的直径，诸如，不大于约0.030英寸的直径，诸如，约0.021英寸的直径或约0.012英寸的直径。
受益于本公开的本领域技术人员将会理解，根据给定应用的要求，可以使用替代的互连配置。其他连接采用线、弹簧接触件、按钮接触件、印刷布线柔性衬底、或螺纹端子，例如但不限于此。
电池106进一步包括电极堆叠120，其被容纳在由电池壳体形成的外壳内。在一些示例中，电池106包括填充口(未示出)以及外壳内的液体电解质。在一些示例中，电池106可以是有机电解质电池106。在一些实施例中，电池106可以是具有由聚合物电解质膜形成的分离器121的固态电池。
电极堆叠120包括第一组板电极130和第二组板电极140。定位在每个相邻的板电极130和板电极140之间的是分离器121中的一个。板电极130形成电池106的阴极，而板电极140形成电池106的阳极，使得板电极130与板电极140组合以形成伏打电池单元。电极堆叠120内的板电极130与板电极140交替。
板电极130和140中的每一个包括以导电衬底形式的电流集电器131。导电衬底可以由诸如铜、钛、铝等的合金之类的金属、或另一导电材料制成。作为阳极电极和阴极电极130和140的构造的示例，顶板电极130的电流集电器131具有设置在电流集电器131之上的电极材料133。在电池106中，导电衬底基本上是平的，并且可以包括孔，由网格(mesh)、丝网(screen)、波纹状材料、或其它导电材料构成，或包括促进导电衬底和导电材料133之间的粘附与导电衬底在电极材料133中的嵌入的其它特征。
阳极电极130中的每一个包括电流集电器131中的一个，从电流集电器131延伸的凸片(tab)132，以及设置在电流集电器131之上的电极材料133。凸片132包括导电材料(例如，铜，钛，铝等)。在一些示例中，电流集电器131可以是具有凸片132的单一部件。电极材料133任选地包括来自元素周期表的第IA、IIA或IIIB族的元素(如锂，钠，钾等)、它们的合金、金属间化合物(例如，Li--Si、Li--B、Li--Si--B等)、或以金属形式的碱金属(例如锂等)。在进一步的示例中，诸如可再充电电池单元，阳极板电极130的电极材料133可以是锂钴氧化物或其它合适的电极材料。阳极板电极130的导电衬底可以包括镍、钛、铜、它们的合金或其它合适的导电材料。在一些示例中，分离器121可以在阳极板电极130的顶部和底部处被耦合到电极材料133，或者分离器121可以简单地插入到板电极130和140之间。
阴极板电极140中的每一个以与阳极板电极130类似的方式进行构造。阴极板电极140包括用作电流集电器131的导电衬底，从电流集电器131延伸的凸片142，以及如上面关于阳极板电极130所公开的设置在电流集电器131之上的电极材料133。阴极板电极140的电极材料133可以包括金属氧化物(例如，氧化钒，钒酸银(SVO)，二氧化锰等)，一氟化碳以及它们的混合物(例如，CFX+MnO2)、组合银钒氧化物(CSVO)、锂离子或其他可再充电化学成分或其他合适的化合物。在进一步的示例中，例如可再充电电池单元，阴极板电极140的电极材料133可以是钛酸锂、石墨或其它合适的电极材料。阴极板电极140的电流集电器131的导电衬底例如可以是钛、铝、镍或其他合适的材料。尽管任选地采用所提供的示例化学成分，但是在一个实施例中在当前使用中钴酸锂被用于阴极板电极140，即正端子，并且钛酸锂或石墨被用于阳极板电极130，即负端子。
如之前提及的，每个阳极板电极130包括凸片132。间隔器122被定位在凸片132中的相邻凸片之间。同样地，阳极板电极140中的每一个包括凸片142，并且间隔器122被定位在凸片142中的相邻凸片之间。间隔器122用于在电极堆叠120的组装期间缓和凸片132与142的弯曲，并且如果电流集电器具有足够的结构完整性的话，则间隔器122可被省略。间隔器122也可由导电材料形成，诸如，钛、铝/钛包层(clab)金属或其他合适的材料。因此，间隔器122也可用于经由凸片132在电极堆叠120内将阳极板电极130彼此电连接，以及经由凸片142在电极堆叠120内将阴极板电极140彼此电连接。
如之前提及的，凸片132、142可以是分别与板电极130与140的导电衬底一起的单一部件。在一个示例中，可通过在将电极材料(例如，锂)沉积到板电极的导电衬底上时掩蔽(mask)一部分导电衬底来形成凸片132。可通过将诸如聚合物之类的材料放置在导电衬底与电极材料133之间来掩蔽导电衬底。在一些示例中，掩蔽材料可以是模切(die cut)以提供对凸片132和142的精确掩蔽。
间隔器122的厚度取决于阳极板电极130与阴极板电极140的厚度。作为示例，间隔器122可具有小于0.060英寸的厚度，诸如大约0.020英寸的厚度。在其他示例中，间隔器122可具有在0.10英寸到0.060英寸之间的厚度。在进一步的示例中，诸如在可再充电电池单元中，间隔器122可具有在0.005英寸到0.020英寸之间的厚度。例如，可使用淤浆(slurry)工艺来形成可再充电电池单元的电极材料133，其可提供比在更通常用于制作非可再充电电池单元中的电极板的压制粉末工艺的情况下更薄的电极板。一般而言，间隔器122的厚度应选择成当阳极板电极130与阴极板电极140被堆叠(例如，直接堆叠在彼此上)时匹配凸片132的相邻凸片之间与凸片142的相邻凸片之间的间隔。
例如，参见如由Viavattine等人在题为“Spacers Between Tabs of PlateElectrodes In An Electrochemical Cell For An Implantable Medical Device(在植入式医疗设备的电化学电池单元中的板电极的凸片之间的间隔器)”的美国专利公开号2009/0197180中公开的适合于电极堆叠120的构造的细节与技术。此外，要理解，本公开不限于由平面板构成的电极组件，且旨在包括卷绕的电极层、层压的电极层、或机加工的、模制的或沉积的电极的电极组件。
参见图3a-8以及10a-11，以示意的方式示出了装箱900以及电子模块901-907(对应于图1的控制模块104以及电容器(多个)108)，该示意的方式表示所示出的实际物理配置出于清楚的目的以及指示没有特定形状或它们的相对布置旨在限制本公开两者是简化的。同样的，馈通销114A与114B之间的电连接的细节、电子模块901-907的功率输入的细节被省略了，因为任选地采用如可由本领域技术人员所设计的任何类型的互连。同样地，从电流集电器131到电子模块901-907的电连接(即馈通件112A和112B)所示出的配置不被认为是限制性的，因为，例如但不限于采用弹簧端子、按钮接触件、布线、柔性或刚性衬底印刷导体、箔或其它导电互连的替代互连可选地用于实施本公开的方法和装置。又进一步地，虽然图3a-8以及10a-11作为示例示出了堆叠的板电极布置，但是如上所述，其他电池电极结构或组件可在本公开的实践中被采用。罩子111以及顶盖110同样地被示意性地表示为电池壳体150。此外，在本公开的一些实施例中，装箱900和电池壳体150中的任一个或者两者可出于功率互连的目的而用作端子。此外，为了简化起见，省略了将电池壳体150与阳极电极和阴极电极130和140进行隔离的绝缘以及如在给定配置中所需的电互连，且本领域技术人员将理解它们的应用。将进一步理解，在电池壳体150将要用作电池端子的情况下，绝缘将被适当地配置成允许阳极电极和阴极电极130和140中的一个电连接到电池壳体150。
出于示例性的目的，电子模块901-907中的每一个被认为具有不同的功率供应要求，无论它是电压要求、电流递送能力还是功率/能量容量中的一个或全部，从而导致在已知条件下给定的预期操作寿命。同样地，装箱900和电子模块901-907的相对配置也是示例性的，并且被呈现以传达装箱900对于不同的电子模块901-907中的每一个来说是共同的概念，该电子模块901-907具有不同的功率供应要求，但是可以将其存放在如图3a-8和10a-11所示的装箱900的共同容积(示意为电子模块901-904中的每一个的常见长方形形状)内。因此，图3a-8和10a-11描绘了本公开的各种示例性实施例，这些实施例针对提供具有共同的电池壳体150的替代功率特性电池，以便可在共同的装箱900中采用。
参见图3a和3b，电池106被示意性地描绘为可选地利用通常由数字106标出的堆叠板技术的电池，其中图3a示出了侧面横截面图，而图3b示出了前横截面图。电池106包括电池壳体150，电极板堆叠被容纳在电池壳体150中，该电极板堆叠由以交替连续堆叠的阳极电极130和阴极电极140组成，其中分离器121被插入在阳极电极130和阴极电极140之间。
当在设计成被植入患者体内的示例性医疗设备中使用时，电池106被选为具有提供延长寿命的高电荷密度。基于当前技术，用于这种应用的最通常使用的电池单元类型是锂电池。然而，本公开不限于这种技术，并同样的应用于其他当前已知的电化学平台(原生的(primary)或可再充电的)，以及操作以产生电输出的在未来发展的任何平台。图3a与3b的电池106具有最大化功率容量的设计，其中电池壳体150的大量体积被阳极电极130与阴极电极140占据。阳极电极130和阴极电极140的堆叠的体积限定了电池106的功率容量(能量容量)，并且为了本公开的简单起见，将被认为与图3a-8和10a-11中它们的表示的面积成比例。在期望具有较小电流容量和/或减少的操作寿命(基于能量容量和功率消耗)的另一电池的情况下，阳极电极130和阴极电极140将由具有较小界面表面面积的电极、和/或更薄的板的电极、和/或更少的电极构成。电子模块901将被视为具有与由电池106提供的那些功率供应要求匹配的功率供应要求。
图4-8和10a-11描绘了为了简单和清楚起见而通过如图3a中的侧面横截面图所表示的本公开的另外的实施例。这些图中所示的阴极电极和阳极电极到相应的电子模块的互连与图3b所示的示例性布置相同，除了阳极电极和阴极电极被移动以补偿不同的电极厚度或数量。
图4描绘了根据本公开的通常由数字206标出的电池的第一实施例。电池206包括与本文中呈现的电池的实施例中的每个共同的电池壳体150。如上所述，电池壳体150是示例性的，并且可以具有不同的配置，但是出于说明本公开的方法的目的，在本公开的实施例中的每一个中被认为是相同的，因此通篇具有相同的附图标记150，因此是不同特性的电池所采用的通用格式的电池壳体。因此，附图的电池壳体150使得其可以互换地用于装箱900的电池隔间中，即，图3a-8和10a-11的电子模块901-907下方描绘的空间。图2a和2b的电极堆叠120由以交替连续堆叠的阳极电极130a和阴极电极140a组成，其中分离器131被插入在它们之间。
电池206与图3a和3b的电池106相比具有减少的能量容量，与图3a和3b的阳极电极130s和阴极电极140s相比，该减少的能量容量通过使用具有减小的厚度的阳极电极130a和阴极电极140a来实现。产生此容量的减少以匹配电子模块902的要求。因此，使得电池206的堆叠高度小于电池106的堆叠高度，从而留出在电池壳体150内打开的顶部空间。尺寸设计成补偿高度差的惰性间隔器105被放置在堆叠顶部，以将阳极电极和阴极电极130a和140a维持在位置中。可选地，可以将惰性间隔器制造得更厚，同时相称地进一步减小阳极和阴极电极130a和140a的厚度。
参见图5，本公开的第二实施例描绘了包括电池壳体150的电池306。电极板的堆叠由具有与图4的配置同样的配置的、以交替连续堆叠的阳极电极130a和阴极电极140a组成，其中，分离器121被插入在它们之间。电子模块902与图4的电子模块相同，因此阳极电极130a和阴极电极140a同样具有与图4中相同的尺寸和数量，因此具有相同的附图标记。电池306与电池206的不同之处在于，惰性间隔器105被置于堆叠上方和下方的两个惰性间隔器105a替代。
与在电池206的情况一样，电池306与图3a的电池106相比，具有减少的能量容量。这通过使用与图3a的阳极电极130s和阴极电极140s相比具有减小的板厚度的阳极电极130a和阴极电极140a来实现。因此，与图4的实施例一样，电池306的堆叠高度小于电池106的堆叠高度，从而在电池壳体150内留下高度尺寸上未占据空间。根据图5所描绘的示例，顶部惰性间隔器105a和底部惰性间隔器105b具有适当选择的合计(aggregate)厚度，以补偿堆叠高度的差异。
图6描绘了根据本公开的第三实施例的电池406，其包括图1-5的电池壳体150。电极板的堆叠由以交替连续堆叠的阳极电极130a和阴极电极140a组成，其中，分离器121被插入在它们之间。与在图4和图5的电池206和306的情况一样，电池406与图3a的电池106相比具有减少的能量容量，这通过与图3a的阳极电极130s与阴极电极140s相比减少阳极电极130a与阴极电极140a的板厚度来实现。因此，与图4和图5的实施例一样，电池406的堆叠高度小于电池106的堆叠高度，从而在电池壳体150内留下高度尺寸上未占据空间。根据第三实施例的所描绘示例，将具有适当选择的厚度以补偿堆叠高度的此差异的间隔器105放置在堆叠内。在该实施例中，阳极电极130a中的一个被劈开(split)的阳极电极130a2替代，并且惰性间隔器105被放置在它们之间。组合堆叠高度与图4和图5的堆叠高度相同，因此，在该实施例中可选地使用相同的电子模块902。
图7描绘了根据本公开的第四实施例的电池506，其包括图1-6的电池壳体150。电极板的堆叠由堆叠的阳极电极130a和阴极电极140a组成，其中，分离器121被插入在它们之间。电池406与图3a的电池106相比具有减少的能量容量。在此示例中，示出一对阳极电极130a与阴极电极140a，而不是两对。当先前图的阳极和阴极电极130a和140a如所示被并联连接时，单对阳极和阴极电极130a和140a与所示的两对的并联相比，将产生一半的电流递送能力。如果先前图中的阳极和阴极电极130a和140a的对被串联(这是本公开中包括的实施例，因为所示的并联连接是示例性的而非限制性的，因此串联连接被认为在本公开的范围和精神内)，那么，当使用串行连接(并且理解到，阳极和阴极电极130a和140a具有与先前图中的那些电极同样的电化学组成)时，电池506产生上述电池106、206、306和406的一半电压。在此示例中，示出不同的电子模块903，其具有匹配电池506的功率供应要求的示例性功率供应要求(多个)。因此，与图4-6的实施例一样，电池406的堆叠高度由于电极减少的厚度和数量而小于电池106的堆叠高度，从而在电池壳体150内留下高度尺寸上未占据空间。根据第四实施例的所描绘示例，将具有适当选择的厚度以补偿此堆叠高度的差异的惰性间隔器105c放置在堆叠内。
图8描绘了根据本公开的第五实施例的电池606，其包括图1-6的电池壳体150。电极板的堆叠由堆叠的阳极电极130b和阴极电极140b组成，其中，分离器121被插入在它们之间。由于阳极电极130b和阴极电极140b比本文中呈现的其它实施例的阳极电极130a和阴极电极140a更厚，因此，与图7的电池506相比，电池606具有增加的能量容量。与第四实施例的情况一样，使用一对阳极电极130s和阴极电极140b，而非两对。在该示例中，使用不同的电子模块904，其具有比电子模块903更大的能量容量的功率供应要求和/或其具有比图7的电子模块903更大的操作寿命。电池606的堆叠高度大于电池506的堆叠的高度并且小于电池106的堆叠高度，从而在电池壳体150内留下高度尺寸上未占据空间。根据第五实施例的所描绘示例，将具有适当选择的厚度的间隔器105d用于补偿此堆叠高度的差异。
尽管出于说明的目的，图3a的电池106被用于设置针对用于以减小的容量设计的任何电池的电池壳体150的尺寸标准，但是将理解，可以在期望的最大容量电池中使用惰性间隔器，以便为未来可能需要具有相同尺寸的电池壳体和增加的容量的电池的意外事件做计划。随后，可以想象消除惰性间隔器以允许堆叠高度的增加，而不需要更大的电池壳体来容纳更高能量容量的电极组件。
应当理解，在第四和第五实施例中，惰性间隔器105c和105d任选地放置在堆叠的顶部，并且本公开不受此限制，并且还包括其中惰性间隔器105c和105d被放置在电池壳体150的底部并且堆叠被放置在顶部的实施例。可替代地，如在第三实施例中，阳极电极130s、130a或130b或阴极电极140s、140a或140b可被劈开。此外，本公开包括另一个实施例，其中惰性间隔器被放置在堆叠的中间，并且阴极(多个)或阳极(多个)都不像第三实施例中那样被劈开。
还应当理解，在本公开的另一实施例中，电池壳体150和装箱900可选地集成在一起成为双隔间壳体，以被形成为一件(piece)或件的装配。电池堆叠(多个)和惰性插入件(多个)被设置在对应于电池壳体150的电池隔间中，并且在一个实施例中，电子模块被设置在电池隔间上方的电子隔间中。在另一实施例中，电池隔间在电子隔间上方。在又一实施例中，隔间是并排的。还应当理解，电子模块被配置为电子部件的组件，并且可以被实施为暴露的电路板或在壳(housing)内的电路板。
参考图9a-9c，存在其中有利地采用具有不同特性(诸如，电压、电流递送或具有相关操作寿命的能量容量)的两个或更多个电池单元的应用。参见例如如在2007年4月24日授权给Schmidt的题为“High Power Implantable Battery With Improved Safety AndMethod of Manufacture(具有改进的安全性的高功率植入式电池及制造方法)”的美国专利号7,209,784中所公开的应用。出于本公开的清楚目的，省略了这种电池的具体要求的细节，但是足以说，各种电子模块再次规定(dictate)电池单元的要求。
参见图9a，如公开的示出了高速率双电池单元电池的简化示意图。在该实施例中，电池54被示为具有电池壳体150、阳极74、阴极76、阴极77、分离器86、馈通件84、馈通件82，端子78以及端子80。电池壳体150仅示意性地示出，因为电池壳体150的形状和构造可变。电池壳体150可以是深拉制的壳体。例如，参见在美国专利No.6,040,082(Haas等人)中所讨论的壳体。电池壳体150可以是浅拉制的壳体。参见例如在2002年9月30日提交的题为“Contoured Battery for Implantable Medical Devices and Method of Manufacture(用于植入式医疗设备的波状外形的电池及制造方法)”的美国专利申请公开2004/0064163中所讨论的壳体。电池壳体150优选地由医疗级钛制成，然而，预期的是，电池壳体150可以由几乎任何类型的材料制成，诸如，铝和不锈钢，只要该材料与电池的化学成分相配，以便防止腐蚀。进一步地，预期电池壳体150可以由大多数任何工艺进行制造，包括但不限于，机械加工、铸造、热成型或注射模制。
在图9a的实施例中，一个电极74是连续的并且连接到壳体150。交替的(alternate)电极处于两个分开的件76和77中。每个件76和77具有分别电连接穿过与壳体150电隔离的馈通件84和82的分开的电引线78和80。预期的是，电池54可以是壳体负极(阳极连接到壳体)或壳体正极(阴极连接到壳体)。如所示，双电池单元电池54具有由第一电池单元腔室88和第二电池单元腔室90使用的一个阳极74，第一电池单元腔室88和第二电池单元腔室90由分离器86隔开。不需要电池单元88和90之间的气密密封。它们可以以此方式设计，但是这将是不必要的复杂并且导致体积效率的降低。分离器86用于防止阳极74和阴极76与77之间的直接电接触。它是允许输送电解质离子的多孔材料。Li/SVO电池通常使用由多孔聚丙烯或聚乙烯组成的分离器，但是还有许多用于其它电池化学物质的其它材料。然而，不需要分离器86，并且电池54可以在没有它的情况下操作。进一步地，注意到阳极/阴极关系可以颠倒。例如，阳极74可用阴极来替代，只要阴极76与77被转换成阳极。应当理解，阳极和阴极的取向不是本发明的关键方面。尽管对于当前实施例，优选在电池单元88和90两者中使用六氟砷酸锂，但是预期大多数任何化学电解质可用于电池单元腔室88或90而不背离本公开的精神。阴极76和77分别位于电池单元88和90内，并且分别连接到外部引线78和80，外部引线78和80通过馈通件84和82穿出电池壳体150。虽然电池54被示出为具有两个馈通件，但是完全预期电池壳体150可以具有一个馈通件以容纳引线78和80两者。参考图9b，示出了另一高速率双电池单元电池的简化示意图。与图9a的双电池单元实施例形成对照，连续电极74不连接到壳体150。相反，电引线79延伸穿过馈通件89以使壳体150中性。
参考图9c，示出了另一高速率双电池的简化示意图。与图9a的双电池单元实施例形成对照，阳极不是连续的，并且每个件74和75被连接到壳体150。这将相当于采用两个完全分开的电池单元并将它们放置在相同的电池壳体中。
参考图9d，示出了另一高速率双电池的简化示意图。该设计类似于图9c的实施例，除了电引线96和98穿过馈通件92和94以形成壳体中性设计之外。
本公开的方法和设备有利地适用于图9a-9d的电池配置，其中提供双电池单元以解决给定电子模块的不同功率源要求。将以上讨论的惰性插入件应用于双电池单元布置有利地提供要在共同外壳(即电池壳体150)中递送的功率供应特性的多种组合。将理解，将图4-8中任一个的替代的惰性插入件布置应用于图10a和10b中所示的高功率速率电池单元60和/或低功率速率电池单元62中的两者或任一者，以达到双电池单元的期望功率特性在本公开的范围和精神内。出于示例性的目的，在图10a和10b中示出了应用于图9a-9d的示意表示的图4的惰性插入件配置。
参见图10a，示出了可应用于图9a和9b的电池配置的并且被构造以解决电子模块905的功率要求的本公开的电池706的实施例。公共电极74出于示例性和非限制性目的被示出实施为公共阳极电极130a。其他电极76和77分别被实施为阴极电极140c和140d。当然，阴极和阳极的布置可以颠倒。分离器86被实施为分离器121，该分离器121被描绘为跨电池706的电池单元不连续，但是也可以是如图9a-9d中所暗示的连续的。惰性插入件105e被提供在高功率速率电池单元60的堆叠中，并且惰性插入件105f用于低功率速率电池单元62的堆叠中。为了清楚起见，并且因为在本公开的范围和精神内可以采用各种连接方法(其与图9a和9b的示意图一致)中的任何一种，从图10a中省略了电流集电器121到外部端子的电连接的图示。
参考图10b，示出了可应用于图9c和9d的电池配置并且被构造以解决电子模块906的功率要求的本公开的电池806的实施例。劈开的电极74和75出于示例性且不是限制的目的被示出实施为阳极电极130c和130d。其他电极76和77分别被实施为阴极电极140c和140d。当然，阴极和阳极的布置可以颠倒。分离器86被实施为分离器121，其被描绘为跨电池706的电池单元不连续，但是也可以是如图9a-9d中所暗示的连续的。惰性插入件105e被提供在高功率速率电池单元60的堆叠中，并且惰性插入件105f用于低功率速率电池单元62的堆叠中。出于清楚的目的，并且因为在本公开的范围和精神内可以采用各种连接方法(其与图9a和9b的示意图一致)中的任何一种，从图10b中省略了电流集电器121到外部端子的电连接的图示。
参见图11，本公开的另一实施例包括电池906，该电池906具有阳极电极130e、分离器121和阴极电极140e的堆叠，其具有小于电池壳体150的内部的宽度。惰性插入件105g用于填充空间并使堆叠稳定。降低堆叠宽度减小了电流递送能力，其与降低的能量容量一起可以增加或减少部分地取决于电子模块907的电流消耗的操作寿命。还理解，阳极电极130e、分离器121和阴极电极140e的堆叠也可以同时降低高度，并且还可以使用进一步的惰性插入件来补偿高度减小。还应当理解，进一步的惰性插入件可以与惰性插入件105g分开，或者可以与惰性插入件105g集成。
在前述实施例中，惰性插入件任选地由电绝缘材料形成，其是惰性的，使得与电极和电解质的不良反应，该电解质被包括作为与电极一起的溶液或被包括作为嵌入分离器中的固体电解质。合适的材料包括，但不限于：聚乙烯四氟乙烯，陶瓷，无纺玻璃，玻璃纤维材料，聚丙烯和聚乙烯。替代地，存在这样的情况，其中诸如当惰性插入件被定位在堆叠的顶部或底部并且形成到电池壳体、馈通件或其它端子(诸如通常用于硬币型电池的按钮端子)中的任一个的电连接时，惰性插入件可以由导电材料形成。该导电材料不应与电极或电解质不利地反应。在这样的情况下，当与阳极电极进行电接触时，成分的合适材料包括但不限于不锈钢、镍、钛或铝。
已经参考附图描述了本公开的优选实施例，应当理解，本公开并不限于那些精确的实施例，并且本领域技术人员可以在其中实现各种改变和修改，而不背离本公开和所附权利要求中所限定的本公开的范围或精神。这样的修改包括针对本文特别标识的部件来替代部件，其中替代部件提供允许维持本公开的装置和方法的总体功能操作的功能结果。这样的替代旨在包括目前已知的部件和尚待开发的部件，其被接受为本文所标识的部件的替代物，并且其产生与本公开的设备和方法的操作相兼容的结果。

Claims (15)

1.一种对具有不同的电池特性组合以用于植入式医疗设备的至少两个电池的电池装箱进行标准化的方法，所述电池特性组合包括电流递送能力、电压递送能力、以及能力容量，所述电池各自具有包括至少一个阳极和一个阴极以及插入在它们之间的分离器的电极组件，所述方法包括：
提供第一电极组件，所述第一电极组件具有对应于能量容量、电流递送能力、以及电压递送能力的第一电池特性组合的第一尺寸；
提供电池壳体，所述电池壳体具有限定电极腔以用于安全地容纳所述第一电极组件的共同配置；
提供第二电极组件，所述第二电极组件具有比所述第一尺寸小一给定量的第二尺寸，所述第二尺寸对应于能量容量、电流递送能力、以及电压递送能力的第二电池特性组合，所述第二电池特性组合与所述第一电池特性组合不同；
将所述第一电极组件中的各个电极组件分别设置到所述电池壳体中的各个电池壳体的所述电极腔中，以产生第一电池类型；以及
将所述第二电极组件中的各个电池组件分别设置到所述电池壳体中的其他各个电池壳体的所述电极腔中，并且将惰性插入件设置到所述电池壳体的所述其他各个电池壳体的所述电极腔中，以产生第二电池类型，所述惰性间隔器被尺寸设计成补偿所述给定量，以安全地将所述第二电极组件容纳在所述电池壳体的所述其他各个电池壳体的所述电极腔中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置所述惰性间隔器包括，将所述惰性间隔器设置在所述电极腔的底部，并且将所述第二电极组件设置在所述惰性间隔器的顶部。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二电极组件的阳极与阴极比所述第一电极组件的阳极与阴极薄。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第二电极组件的阳极与阴极比所述第一电极组件的阳极与阴极在数量上更少。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述设置所述惰性间隔器包括，将所述第二电极组件设置在所述电池壳体的底部，并且将所述惰性间隔器设置在所述第二电极组件的顶部。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二电极组件的阳极与阴极比所述第一电极组件的阳极与阴极薄。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二电极组件的阳极与阴极比所述第一电极组件的阳极与阴极在数量上更少。
8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
所述第二电极组件具有第一板组件以及第二板组件，以及
所述设置所述惰性间隔器包括，将所述第一板组件设置在所述电池壳体的底部，将所述惰性间隔器设置在所述第一板组件的顶部，并且将所述第二板组件设置在所述惰性间隔器的顶部。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二电极组件的阳极与阴极比所述第一电极组件的阳极与阴极薄。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二电极组件的阳极与阴极比所述第一电极组件的阳极与阴极在数量上更少。
11.一种制造植入式医疗设备的生产线的方法，包括：
提供电子模块，所述电子模块分别具有彼此不同的功率要求；
制造多个共同的装箱，所述共同的装箱具有电池隔间以及电子隔间，所述电子隔间被配置成接受电子模块中的任一电子模块；
提供电极组件，所述电极组件各自包括至少一对阳极与阴极，其中分离器设置在所述阳极与所述阴极之间，所述电极组件被分别配置成匹配所述电子模块的所述不同的功率要求，使得所述电极组件中的一些电极组件具有与所述电极组件中的其他电极组件不同的尺寸；
将所述电子模块分别插入到对应数量的所述多个所述共同的装箱的所述电子隔间中；
对于所述对应数量的所述多个所述共同的装箱中的每一个，选择所述电极组件中的一个电极组件以匹配插入到所述共同装箱中的所述电子模块的功率要求，将所述电极组件中的所选的一个电极组件插入到所述电池隔间中，并且如果所述电极组件中的所述所选一个的电极组件占据比由所述电池隔间所提供的少的空间，以便在所述电池隔间中留出未占据的体积，则将惰性插入件插入到所述未占据的空间中，以便将所述未占据的空间填充到防止所述堆叠的移位所需的程度。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述电池隔间与所述共同的装箱是整体的。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述电池隔间与所述共同的装箱是分开的，并且是适配成配合在所述共同的装箱里面的电池壳体。
14.如权利要求11、12或13所述的方法，其特征在于，所述电子模块中的至少一个电子模块是电路板。
15.如权利要求11、12、13或14所述的方法，其特征在于，所述电子模块中的至少一个电子模块是设置在壳中的电路板。
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