CN107959031A - 具有电沉积阴极的生物医疗装置电池 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有电沉积阴极的生物医疗装置电池”。本发明描述了用于形成具有电镀阴极化学物质的生物相容性电池的设计、策略和方法。在一些示例中，在组装成微电池之前，可将电解二氧化锰层镀覆在阴极集流体上。在一些示例中，具有电沉积阴极的所述生物相容性电池可用于生物医疗装置中。在一些另外的示例中，具有电沉积阴极的所述生物相容性电池可用于接触镜片。

Description

具有电沉积阴极的生物医疗装置电池
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月17日提交的美国临时专利申请No.62/409,217的权益。所述申请的内容是可信的并且据此以引用方式并入。
背景技术
1.技术领域
本文描述了用于提高电池的生物相容性方面的设计和方法，尤其是通过形成由固体结构构成的管状形式来实现。在一些示例中，生物相容性电池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圆丸、具有有源部件的外科装置、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子部件，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。在许多示例中，可能重要的是，提供安全、可靠、紧凑和高性价比的机构为生物相容性装置内的半导体组件供电。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通电元件的增强的功能。
用于为装置供电的一种此类通电元件可能是电池。当在生物医疗型应用中使用电池时，可能重要的是，电池的结构和设计能够容纳非常小尺寸的电池部件。由于尺寸小，可能很难以有效密封方式组装小部件以保持生物相容性的同时优化电池装置的效率。因此以最大化上述所关注参数的方式设计和加工微型电池部件，尤其是这类电池的阴极可能是有用的。
发明内容
因此，本文描述了用于生物相容性通电元件的改进的阴极加工和设计。
根据一个方面，本发明涉及一种用于电池的电解二氧化锰(EMD)类型活性正极。用于电化学产能电池的活性正极可通过下列方式形成：将固态EMD粘聚体电沉积在导电基底(尤其钛箔、线或网)上，然后用水洗涤以除去浴盐或酸。在一些示例中，可将洗涤后的电极慢慢干燥，然后用所选电池电解质渗透，也可将洗涤后的电极浸入所选电解质而不进行干燥。导电基底可留在适当位置，并可用作电化学产能电池中的正极集流体。EMD沉积条件可被设置为赋予基底高粘附力的EMD，并得到在成品电池中具有最佳可能的电化学放电性能的结构。
由于多种原因，这种沉积在导电基底上的固态EMD正极有利于构造非常小的电化学产能电池。在一些示例中，通过测量电镀EMD时的沉积时间和电流，已知精确量的EMD可包括在给定电极中。EMD电镀效率通常大于98％，从而在电镀时间和电流与EMD量之间存在一定相关性，随后可对这种相关性加以利用。
在一些示例中，成品电极的形状可主要通过基底的形状、电镀时间和电流确定。其上可执行EMD电镀的电极可具有多种形状。
在一些示例中，EMD电镀的优势可在于，这类电沉积电极具有出色完整性和受控形状。这种工艺可改善或便于将电极装配到电化学电池容器中。此外，也可使由于脱落或涂抹在相邻表面上造成的可能材料损失最小化。这些类型的改进可提供最高电化学容量，并且也可避免由于一些密封表面的污染产生的密封问题，这可提供改善的生物相容性。
在一些示例中，固态EMD沉积物可表现出期望的电阻率，该电阻率可为大约100Ohm-cm。电沉积EMD可能比等量未压实或略微压实的EMD粉末更导电，这是因为可引起接触电阻的基于颗粒与颗粒的连接可能最少。
经过电镀的EMD的另一优势可在于，厚度有限的固态EMD电极可能不需要另外的导电性添加剂，诸如炭黑或石墨。因此，相比于包含EMD与导电性添加剂的混合物的常规EMD电极，正极活性材料的可用体积可增大。EMD加上导电性添加剂的典型混合物可包含10％-15％碳+85％-90％EMD。由于碳或石墨的密度(其为约2.2g-cm-3)显著小于EMD的密度(其为约3.45g-cm-3，测量为堆密度)，因此除去导电性添加剂的优势可能很明显。注意，EMD的“真实”密度可在4.25g-cm-3至5g-cm-3(理想情况下)之间。如本文所用，堆密度意指当测量EMD密度时，孔连同固体物质一起包括在密度测量中。这类孔占据一定空间并影响所测量的体积，但不影响所测量的重量。不含导电性添加剂且厚度有限的固态EMD电极可有效用于薄平电池中或用于各种构型的非常小的电池中。
在各个示例中，固态电沉积EMD电极可用于各种电池系统中，包括勒克朗谢、高氯化锌、镁-MnO2、碱性、锂等等。
一个一般的方面包括一种生物医疗装置，该生物医疗装置包括电活性部件、生物相容性电池和第一封装层。该方面中的生物相容性电池包括管状结构，其中一定内部体积形成腔体。第一封装层至少封装电活性部件和生物相容性电池。在一些示例中，第一封装层用于限定接触镜片的裙边，利用与用户眼睛表面相互作用的生物相容性水凝胶层包围电活性镜片的内部部件。在一些示例中，电解质溶液的性质提供对生物医疗装置生物相容性的改善。例如，与典型电池组成相比，电解质溶液的组成可具有较低的电解质浓度。在其它示例中，电解质的组成可模拟生物医疗装置所处的生物环境，诸如非限制性示例中的泪液的组成。
根据一个方面，本发明涉及一种生物医疗装置。该生物医疗装置包括：电活性部件；具有阳极集流体、阴极集流体、阳极和阴极的电池；封装阳极和阴极的管，其具有用于阳极集流体的第一穿孔、用于阴极集流体的第二穿孔、管与阳极集流体之间的第一密封件以及管与阴极集流体之间的第二密封件；以及第一生物相容性封装层，其中第一生物相容性封装层至少封装电活性部件和电池。
根据另一个方面，本发明涉及一种电池。该电池包括：阳极集流体，其中阳极集流体是在第一端部上闭合的第一金属管；阳极，其中阳极化学物质包含在第一金属管内；阴极集流体，其中阴极集流体是在第二端部上闭合的第二金属管；阴极，其中阴极化学物质包含在第二金属管内；陶瓷管，其具有与第一金属管密封交接的第一密封表面和与第二金属管密封交接的第二密封表面；以及位于第一密封表面和第一金属管之间的间隙中的密封材料。
根据又一个方面，本发明涉及一种电池。该电池包括：阳极集流体，其中阳极集流体是在第一端部上闭合的第一金属管；阳极，其中阳极化学物质包含在第一金属管内；阴极集流体，其中阴极集流体是在第二端部上闭合的第二金属管；阴极，其中阴极化学物质包含在第二金属管内；玻璃管，其具有与第一金属管密封交接的第一密封表面和与第二金属管密封交接的第二密封表面；以及位于第一密封表面和第一金属管之间的间隙中的密封材料。
根据又一个方面，本发明涉及一种电池。该电池包括：阳极集流体，其中阳极集流体是在第一端部上闭合的第一金属管；阳极，其中阳极化学物质包含在第一金属管内；阴极集流体，其中阴极集流体是线；陶瓷端盖，其具有与第一金属管密封交接的第一密封表面和与阴极集流体密封交接的第二密封表面；阴极，其中阴极化学物质沉积在阴极集流体上；以及位于第一密封表面和第一金属管之间的间隙中的密封材料。
根据又一个方面，本发明涉及一种电池。该电池包括：阳极集流体，其中阳极集流体是在第一端部上闭合并掺杂在第一端部上的第一半导体管；阳极，其中阳极化学物质包含在第一半导体管内；阴极集流体，其中阴极集流体是在第二端部上闭合并掺杂在第二端部上的第二半导体管；阴极，其中阴极化学物质沉积在阴极集流体上；以及位于第一半导体管和第二半导体管之间的间隙中的密封材料。
根据另一个方面，本发明涉及一种制造电池的方法。该方法包括获得阴极集流体管；用阴极化学物质填充阴极集流体管；获得阳极集流体管；用阳极化学物质填充阳极集流体管；获得管状陶瓷绝缘件；在管形式陶瓷绝缘件的两端上形成第一密封表面和第二密封表面；使金属膜在第一密封表面和第二密封表面上蒸发；用一块(购自铟泰公司(Indium Corporation)的一种纳米技术材料)涂覆阴极集流体管的端部；用焊膏涂覆第一密封表面和第二密封表面上的金属膜；在第一密封表面上方推动阴极集流体管；活化材料以引起阴极集流体管与第一密封表面之间的界面处的温度快速升高；并且熔化焊膏。
根据另一个方面，本发明涉及一种制造电池的方法。该方法包括将二氧化锰膜沉积在钛电极线或膜上。在一个示例中，二氧化锰膜以化学方式沉积在粗糙化钛表面上。将粗糙化钛表面置于在含水条件下包含溶解的MnSO4和H2SO4的化学浴中。在该示例中，MnSO4的浓度可为大约1摩尔。可将经涂覆的阴极集流体组装成各种形式的电池，如所描述。在沉积过程中电沉积可以不同速率进行，诸如初始慢沉积速率，其特征在于对于大约50mm2的电镀表面积，低电流密度为诸如19A/m2。后续沉积可以更快速率发生，诸如特征在于例如66和112A/m2的那些速率。
附图说明
图1A至图1B示出了与接触镜片的示例性应用一致的通电元件的示例性方面。
图2A至图2B示出了在管状电池设计中具有金属安全壳和绝缘体部件的示例性管状形式。
图3示出了在管状电池设计中具有互穿金属安全壳和绝缘体部件的示例性管状形式。
图4示出了在管状电池设计中具有金属端盖、安全壳和绝缘体部件的示例性管状形式。
图5示出了在具有共面阳极和阴极部件的管状电池设计中具有绝缘体、安全壳、金属触点的示例性管状形式。
图6A至图6F示出了根据本发明的管状主体的形成过程。
图7示出了在管状电池设计中的示例性密封管状金属安全壳和密封绝缘线端盖。
图8示出了在管状电池设计中的示例性密封管状金属安全壳和密封绝缘线端盖。
图9示出了在管状电池设计中与掺杂的半导体安全壳件焊接在一起的示例性管状绝缘体形式。
图10A示出了示例性密封件的特写。
图10B示出了包括经焊料涂覆的表面和加热箔的结构。
图11示出了电沉积阴极的示例性电结果。
图12示出了电沉积阴极的示例性横截面显微图。
具体实施方式
形成具有改善的生物相容性的管形式电池的方法在本申请中有所公开。在下述部分中，给出了各种示例的详细描述。文中描述的示例仅为示例性实施方案，各种变型和更改对于本领域的技术人员而言可为显而易见的。因此，示例不限制本发明的范围。在一些示例中，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近侧使用。
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，“阳极”是指在放电循环期间电流通过其流入极化的电气装置(例如，电池)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，极化装置的相同元件即使在放电循环和其它事件诸如电镀元件期间均称为阳极，而标准定义对该元件的称呼可能会有所不同。
如本文所用，电池是指由单个电化学电池或多个电化学电池组成的电化学功率源，这些电化学电池适当地连接在一起以提供期望的电压或电流。所述电池可为一次(不可再充电)或二次(可再充电)电池。
如本文所用，“粘结剂”是指能够表现出对机械变形的弹性反应并且与其它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。在一些示例中，粘结剂可指以粘性体将颗粒和/或颗粒加上液体保持在一起的物质。
如本文所用，“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，“阴极”是指在放电循环期间电流通过其从极化的电气装置(例如，电池)流出的电极。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，极化装置的相同元件即使在放电循环和其它事件诸如电镀元件期间均称为阴极，而标准定义对该元件的称呼可能会有所不同。
如本文所用，“涂层”是指材料以薄的形式的沉积物。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，该沉积物在基底表面上形成。在其它更特殊的用途中，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，“电极”可指能量源中的有效质量。例如，它可包括阳极和阴极中的一者或两者。
如本文所用，“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，“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。电池可由碱性类型电池化学物质形成，并可为包括含水碱性、含水酸性或含水盐电解质化学物质或非含水化学物质、熔融盐化学物质或固态化学物质的固态电池或湿式电池。电池可为干电池(固定电解质)或湿电池(游离液态电解质)类型。
如本文所用，“填料”是指不与酸性电解质或碱性电解质反应的一种或多种通电元件分隔体。一般来讲，填料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、锌和锡的那些金属氧化物和氢氧化物；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，“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，“再通电”或“再充电”是指恢复到具有更大做功能力的状态。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。在一些示例中，不论用于粘附还是用于其它功能的涂层都可驻留在通过该涂层彼此接触的两个层之间。
如本文所用，“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引导电子流向电化学电池的阴极或流出阳极。
根据本发明，还可存在关于如何组装和配置电池的其它示例，其中一些可在以下部分中描述。然而，对于许多这些示例，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。
电化学产能电池通常包括6个基本部件：包含氧化剂的正极；包含还原剂的负极；设置在这两个电极之间的离子导电电解质；提供正极和负极之间的电绝缘但允许离子在两个电极之间自由通过的可渗透分隔体；以及容纳上述部件的电池容器或包层，从而阻止这些部件脱离电池，同时阻止液体、气体和蒸气从周围环境进入。本文论述了这些部件各自的各种示例。应特别关注形成正极的方式。电池的其它部件可任选地存在，诸如电极的导电内部触点(被称为“集流体”)、导电外部接触表面(被称为“终端”)、通气口以及标签或“夹套”。
在一些示例中，正极可包含多种类型的MnO2。直接从土地开采的不纯天然MnO2可用于低技术电池中，诸如勒克朗谢和某些ZnCl2类型电池。对于较高性能的高技术电池(例如，优质ZnCl2、碱性-MnO2和锂一次电池)，被称为“电解二氧化锰”或“EMD”的合成电沉积MnO2用作正极活性物质。对于“锂离子”电池，正极活性材料可为由EMD粉末和锂盐或氢氧化锂合成的LixMnO2。
EMD在商业上通过将MnSO4+H2SO4的热溶液电解沉积在钛电极(正向极化)上而制备。反电极(反向极化，其可为石墨、铜或不锈钢)在电沉积过程中释放H2气。EMD作为强粘附性多孔块沉积在钛电极上。在一些示例中，在电沉积若干周之后，可从钛上获得一块EMD。在一些示例中，可简单地通过下列方式获得EMD：用锤打碎，得到大块EMD，然后将其收集、粉碎、研磨、洗涤、中和并慢慢干燥，得到商品级EMD粉末。在一些工业化过程中，洗涤、中和和干燥步骤可在研磨步骤之前。
在许多示例中，商品级EMD粉末是含EMD电池的起始点。无论考虑哪种电池系统，EMD粉末均可与导电助剂(通常为炭黑和/或石墨)、任选粘结剂、电解质和其它添加剂共混，然后形成到正极中。正极可被压成固体盘、片剂或圆柱体，或者它可作为糊剂挤出，或者它可从浆液中涂覆到金属箔或金属网上。
当使用极小正极(例如，100mg或更少正极活性物质，甚至少至10mg、1mg或小于1mg正极活性物质)时，需要利用这类粉末混合物、糊剂或浆液，这可造成一定困难。因为可能很难控制这样的极少量粉末、糊剂或浆液的放置。如果由于相关小尺寸，所形成电极的组成、孔隙度和密度不均匀，可能也存在一些负面特征。另外可能很难控制单个电极中活性物质的总量，或者很难确保正极活性物质与正极集流体之间良好的电接触。而且由于当各部件处于合适位置时可抓握的小尺寸，可能很难避免附近表面(尤其是密封表面)被大量正极活性物质污染。另外，需要添加导电助剂(例如，炭黑或石墨)不可避免地减少可包含在给定体积中的活性物质的量。
本文所述发明使用电极形式的固体形式电沉积以避免或最大程度减少上述缺陷。EMD直接电沉积到电极中提供了用二氧化锰正极构造极小电化学产能电池的方式。在一些示例中，也可构造不常见构型的电池。
由于正极中不含碳导电性添加剂，还可构造体积能量密度和重量能量密度较大的正常尺寸电池。不含附加碳也可避免在气密密封电池储存期间生成CO或CO2的可能性，这可有助于构造不向环境释放气体或蒸气，因此无需通气口的真正气密电池。但是，这样的变化可能不改变在阳极侧的放气。另外也不需要在正极采用独立集流体，因为EMD已沉积于其上的钛基底也可用作成品电化学电池中的集流体。
当在有利条件下进行沉积时，EMD通常对这类钛基底具有优异的粘附力。可改变和控制，并且也可选择EMD沉积条件(例如，浴组成、时间、温度和电流密度)以在成品电化学电池中赋予钛基底高粘附力和优异电化学放电性能。在一些替代示例中，可采用除钛之外的其它基底，诸如碳、载碳塑料(也可称为导电塑料)、锆、铪、钽、铌、铂族金属之一或其它物质。
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示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示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。用于提供这些控制电压信号以及用于提供其它功能(诸如控制对用于外部控制信号的环境的感测)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，在这种情况下是三个件，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，以将可示出为在互连件区114下方的件接合在一起。电池元件110可连接至电路元件105，该电路元件可具有自身的基底115，互连特征结构125和130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115及其互连特征结构125和130。
参见图1B，接触镜片150的剖面浮雕(cross sectional relief)可包括接触镜片插入件100及其所讨论的成分。接触镜片插入件100可被封装到接触镜片水凝胶155的裙边中，裙边可封装接触镜片插入件100并为用户的眼睛提供与接触镜片150的舒适接触界面。
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。为了用作医疗装置的功率源，当在非连接或非外部供电模式中工作时，可能需要适当的电池来满足系统的全面电气要求。非连接或非外部供电的生物医疗装置的新兴领域可包括，例如，视力矫正接触镜片、健康监测装置、药丸摄像机、以及新型装置。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制造的其它参数诸如栅极氧化物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。设计者基于若干因素选择IC工艺节点，所述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，微电池功率源与所选的工艺节点及IC设计的要求相匹配是重要的。
在一些示例中，由微电池供电的电路可连接至另一装置。在非限制性示例中，微电池供电的电路可连接至致动器或换能器。根据具体应用，这些可包括发光二极管(LED)、传感器、微电子机械系统(MEMS)泵或许多其它此类装置。在一些示例中，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示例中，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。还考虑到微电池的工作参数，另外的要求诸如模具尺寸可明显不同。
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。开路电压是由具有无限负载电阻的电池单元产生的电势。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。在一个示例中，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。
可将电池串联连接来增加电压值；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。
电池容量可为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以及其它因素(例如，电极的物理设计、设置在电极之间的任何分隔体材料的性质和尺寸以及阳极、阴极活性物质、导电助剂和电解质的相对比例)影响。
根据电池所连接的电路的要求，电池可需要一定值范围内的源电流。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、互联器及绝缘体。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。也可根据包括微蓄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。
在一些示例中，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。在另一个示例中，还可以在三维表面上制作光伏，并连接到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。
在一些示例中，电池可用于为电气系统提供电能。在这些示例中，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。在一些示例中，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，蓄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。虽然在一些示例中，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料接合部通过间隔足够距离分离来减少热传导。
模块化的电池部件
在一些示例中，可根据本发明的一些方面和示例来形成模块化的电池部件。在这些示例中，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示例中，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。可存在形成模块化电池部件的许多优点。例如，在接触镜片的示例中，模块化电池部件可以在单独的、非集成的工艺中形成，这可以缓解处理刚性的、三维成型的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扁平或大致二维(2D)的透视图，然后成形为适当的三维形状。在一些示例中，电池可足够小，即使其未弯曲也不会干扰三维形状。在一些其它示例中，耦合的多个小电池可装配到三维形状空间中。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，并且在另一个示例中，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，诸如基于幅材的技术(卷对卷)，基于片材的技术(片对片)、印刷、平版印刷以及“刮压”处理。在模块化电池的一些示例中，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，此类影响可设定模块化电池溶液的使用限制。
管作为电池部件设计中的设计元素
在一些示例中，可以用坚固密封件使活性电池化学物质区域分段的方式来设计电池元件。在一些示例中，这些密封件可为气密的。将活性电池部件分割成通常可呈管形状的气密密封区段可具有多种优势。外部部件由金属、玻璃或陶瓷制成的管状形式电池可形成理想架构性设计方面。在一些示例中，材料可被选择为使得在材料之间形成的密封件可被视为“气密的”，因为分子在密封件上的扩散可遵循“密封件类型或用于形成密封件的工艺类型”测试方案下的规范。例如，电子部件如电池可具有一定体积的空气或“等同于空气量”的体积在其中，并且气密规范可涉及泄漏率小于某一水平的密封件，在该水平下密封件外部的空气将替换装置体积的50％。较大形式的管状电池可通过在规范后续部分中论述的一个或多个工艺形成，在该规范中可测量低水平泄漏以确定给定电池中密封件是否是气密的。在实施过程中，小管电池或微电池(例如，根据本公开的那些)在一些示例中可具有大约10-4cm3的体积。泄漏检测设备测量足够低的泄漏速率以确定微电池的密封件是“气密的”的能力可能超出当前泄漏检测技术；然而，微电池的密封件可被称为气密的，因为相同工艺和材料在施加至大形式电池时导致明显较低的泄漏速率，足以认为密封件加工和材料是“气密的。”
参见图2A，可见具有碱金属壳体及绝缘体的管状形式电池200的基本示例。在该示例中，两个金属部件(阳极触点211和阴极触点221)形成包围材料的金属管。阳极化学物质212可位于阳极触点211内。并且，阴极化学物质222可位于阴极触点221内。在一些示例中，阴极化学物质222和阳极化学物质212可被分隔体240隔开。电池触点需要彼此隔离才能形成功能性电池，因为电连接会使得电池化学物质耗尽。在图2A的基本示例中，绝缘体230以电的方式将阳极和阴极隔开。
如图所示，绝缘体230可为物理件，其自身充当电池内物质的安全壳，并作为扩散阻隔件的一部分以抑制化学物质转移到电池中或从电池转移出。在后一部分，论述了对各种类型密封件(包括气密密封件)及其形成技术的描述。在图2A示例中的密封件示例可为金属-陶瓷或金属-玻璃密封件。图2A的示例例如在密封件231和密封件232处具有这些密封件中至少两者。
现在参见图2B，示出了具有与图2A装置类似的结构的替代管形式电池250。另选管形式电池250可具有包括阳极触点261和阳极化学物质262的阳极区260。该电池也可具有容纳阴极化学物质272并限定阴极触点271的金属管形式的阴极区270。将阳极触点261和阴极触点271隔开的绝缘件280可具有绝缘体-金属密封件，如在密封件281和密封件282处所示。如在图2A的示例中，绝缘体-金属密封件在一些示例中可为气密密封件。绝缘体可以电的方式将阳极260和阴极270隔开，但分隔体290可以物理方式将阳极260和阴极270隔开。在该第二示例中，同样存在固体材料，包括阳极触点、阴极触点和显著阻止分子和原子在其边界上扩散的绝缘体装置。在密封件281和密封件282处的气密密封件可得到总体气密密封的管形式电池。
现在参见图3，示出了管形式电池的另一示例。在重叠管形式电池300中，阳极或阴极上的金属壳可与绝缘件明显重叠，该绝缘件下方可与电池其它区域上的金属壳明显重叠。具体地讲，在所示形式中，阳极310具有金属壳，该金属壳也用作阳极触点311并包围阳极化学物质312。在所示设计中，阳极的金属壳也与绝缘件330明显重叠，该绝缘件自身下方与阴极区320的金属壳明显重叠。阴极金属壳包围阴极化学物质322并且作为阴极触点321。在该示例中，阴极化学物质322和阳极化学物质312被分隔体340以物理方式隔开。在管图示中，为了举例说明，阳极化学物质或阴极化学物质中任一者或这两者可以方框形式示出；然而在一些示例中，其物理形式可类似于图示，在其它示例中，真实化学物质可为涂覆一部分空间的膜。重叠管形式电池300的示例可表示金属和绝缘件之间的密封表面的最大量。这些密封件示于密封件331和密封件332处，如图中可见，其与管电池尺寸的相当大一部分重叠。
参见图4，示出了替代管状形式400。在这种类型的示例中，中心绝缘件430与用于外部触点的金属端盖交接。示例性阳极区410可包括阳极金属触点411和阳极化学物质412。中心绝缘件430的密封件431可用于阳极金属触点411。在示例性阴极区420中，可存在阴极金属触点421和阴极化学物质422以及在中心绝缘件430与阴极金属触点421之间的密封件432。这种类型的构型可具有各种示例中密封件在其上起作用的最小区域。中心绝缘件以电的方式将阴极触点和阳极触点隔开，分隔体440以物理方式将阳极化学物质412和阴极化学物质422隔开。
参见图5，示出了具有侧向布局的阳极化学物质和阴极化学物质的替代管状形式电池500。这样的布局仍可形成于管微电池格式中，并可为与阳极化学物质512与阴极化学物质522交接并将阳极化学物质与阴极化学物质隔开的分隔体550提供最高横截面积。在图示中，顶部区域可为阳极区510，包括阳极化学物质512和阳极触点511以及阳极触点511周围的阳极密封件531。在一些示例中，可形成单件绝缘体530，其中用于阳极触点和阴极触点的孔在一个端部，在一些其它示例中，可存在两件或更多件绝缘体，其中顶部件可为具有用于阳极触点和阴极触点的孔的独立件。在图示中，底部区域可为阴极区520，包括阴极化学物质522和阴极触点521以及阴极触点521周围的阴极密封件532。
参见图6A至图6F，示出了管形式电池的形成过程。可将图6A中的绝缘材料(例如，玻璃或陶瓷)管610切成期望长度，如图6B所示。在一些示例中，作为非限制性示例，玻璃可包括硼硅酸盐玻璃、用于Kovar和其它金属的密封玻璃、石英玻璃、碱石灰玻璃、硅铝酸盐玻璃、中性玻璃、铅玻璃。在一些示例中，管可为陶瓷管，陶瓷类型的示例可包括氧化铝、二氧化硅、氧化锆、稳定的氧化锆、锆石、莫来石、堇青石、氧化镁、碳化硅和瓷。在图6C中，示出了金属线电触点的示例(其可为阳极触点621)。在一些示例中，金属线可为锌线。在其它示例中，金属线可为另一种金属(例如，黄铜)线，其可涂覆有锌620。金属线可被包围并密封到密封材料622中。
在下面的部分中，讨论了多种类型的密封，其中许多示例与所示密封材料622一致。在图6D中，另一种金属线630可用于形成阴极触点。在一些示例中，金属线可为钛线。金属线可具有包围它的阴极材料631的沉积物。另一种密封材料632可包围阴极线630。参见图6E，管610可具有芯641，该芯可为聚烯烃膜或纤维素膜。在一些示例中，该芯可为横跨阳极区至阴极区的纤维素线。芯641可定位到置于管内的一定体积的电解质640中。在一些示例中，电解质可为含水溶液，诸如ZnCl2溶液。在一些其它示例中，电解质可为聚合物电解质。在下文中论述了不同电解质选项的一些方面。参见图6F，图6E、图6D和图6C所示的各种部件可装配形成管状形式电池。密封材料622与管610之间以及密封材料632与管610之间的密封件可包括如以下部分中论述的多种类型的密封件。在一些示例中，芯641可为全分隔体，其可保持更致密填充的电池化学物质被隔开，这与图6A至图6F所示的物理分离相反。
在一些示例中，金属端盖可作为设计变体添加。两条引线可在任一端部处嵌入管状形状绝缘粘合剂中。管状形状粘合剂可部分容纳在电池的管状绝缘容器内，并且也可部分突出到电池容器之上。在一些示例中，粘合剂可粘附并密封引线和绝缘容器。绝缘粘合剂可含有电池流体，并阻止流体泄漏到外部。粘合剂可为热固性粘合剂、热塑性粘合剂或这两者的组合。
参见图7，示出了包括线状阴极触点的管形式电池的示例。该示例可包括两个管(一个中空管711和一个罐状管710)，这两个管一起可形成阳极触点。阳极化学物质715可沉积或以其它方式填充到罐状管710中。在一些示例中，阳极化学物质715可包括镀锌。罐状管710可由金属-金属密封件720密封至中空管711。在该示例中，可存在金属线740，其可涂覆有阴极化学物质730。在一些示例中，阴极化学物质730可包括镀二氧化锰。金属线740可形成阴极触点。在一些示例中，金属线可由钛形成。陶瓷绝缘件750可在由金属线740形成的阴极与由中空管711和罐状管710的组合构成的阳极触点之间形成电绝缘。陶瓷-金属密封件761可在中空管711和陶瓷绝缘件750之间形成。同样，密封件760可在陶瓷绝缘件和金属线740之间形成。
参见图8，示出了包括线状阴极触点和线状阳极触点的管形式电池的又一个示例。该示例可包括两个管(第一中空管800和第二中空管840)，这两个管一起可容纳阳极化学物质和阴极化学物质以及电解质制剂。在所示示例中，锌线820可形成阳极触点以及阳极化学物质两者。在一些示例中，锌线820也可在包括镀锌的部件中增厚。第一中空管800可由金属-金属密封件830密封至第二中空管840。在该示例中，可存在金属线850，其可涂覆有阴极化学物质，如由沉积物860所示。在一些示例中，阴极化学物质可包括镀二氧化锰。金属线可形成阴极触点。在一些示例中，金属线可由钛形成。陶瓷绝缘件870可在由金属线850形成的阴极与第二中空管840之间形成电绝缘。由锌线820形成的阳极接触线可位于示例性电池的另一侧上，该锌线可被第二陶瓷绝缘件810绝缘。陶瓷-金属密封件871可在中空管840与陶瓷绝缘件870之间形成。同样，密封件872可在陶瓷绝缘件870和金属线850之间形成。陶瓷-金属密封件811可在中空管800和陶瓷绝缘件810之间形成。同样，密封件812可在陶瓷绝缘件810和金属线800之间形成。
参见图9，示出了包括掺杂半导体的管形式电池的又一示例。使用掺杂半导体可显著减少电池中所需密封边缘的量，因为高掺杂区通过管形成电触点。非掺杂区可形成阳极区与阴极区之间的绝缘体。出于可制造性的考虑，电池可由两个罐状半导体件形成，并在可与半导体-半导体接缝930连接的端部处高度掺杂。高掺杂半导体在涂覆有金属膜(例如，钛)时或在反应形成硅化物(例如，硅化钛)时可形成小电阻欧姆触点。由于半导体可相对较薄，结果可得到无接缝的低电阻触点。如果半导体-半导体接缝930位于分隔体的区域中，则内部化学物质与接缝的重叠可能非常少。返回图9，该示例可包括两个管(第一中空半导体罐900和第二中空半导体罐950)，这两个管一起可容纳阳极化学物质和阴极化学物质以及电解质制剂。在所示示例中，金属膜915可形成内部阳极触点。第一中空半导体罐900可具有高掺杂区域910。在一些示例中，高掺杂区域可掺杂有N型掺杂物(例如，磷)。外部金属层925可形成外部阳极触点。阳极化学物质920可位于罐中。在一些示例中，阳极可为沉积膜、浆液或固体塞。第一中空半导体罐900可被半导体-半导体密封件930(在一些示例中，并置排列分隔体960)密封至第二中空半导体罐950。在该示例中，可存在金属膜975，其可涂覆有阴极化学物质，如由沉积物940所示。在一些示例中，阴极化学物质可包括镀二氧化锰。高掺杂区970可通过第二中空半导体罐950形成电触点，并且它可具有外部金属沉积物以形成阴极触点965。
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示例中，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，可能重要的是结合延迟或阻止湿气运动离开或进入电池主体的密封机构。可设计防潮层来使内部湿气水平保持在设计的水平，并且在一定公差范围内。在一些示例中，防潮层可划分为两个区段或部件；即包装件和密封件。
包装件可以是指壳体的主材料。在此类示例中，包装件可包含块体材料。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。理想的是，良好电池包装件的WVTR可为“零”。WVTR接近0的示例性材料可为玻璃和金属箔以及陶瓷和金属件。另一方面，塑料对湿气可为固有多孔的，并且不同类型的塑料可显著不同。工程化材料、层合物或共挤出物可通常为常用包装件材料的混合物。
密封件可为两个所述包装表面之间的界面。密封表面的连接整饰壳体连同包装件。在许多示例中，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。在一些示例中，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。密封性能可根据密封材料、密封厚度、密封长度、密封宽度以及对包装件基底的密封粘附性或紧密性而不同。
在一些示例中，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。在其它示例中，密封件可通过使用粘合密封剂形成，诸如胶、环氧树脂、丙烯酸类树脂、天然橡胶、合成橡胶、树脂、焦油或沥青。可通过使用垫圈型材料来推导出其它示例，所述垫圈型材料可由天然和合成橡胶、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯和有机硅等多种非限制性示例形成。在一些示例中，密封材料可为热固性材料、热塑性材料或热固性材料和热塑性材料的组合。
在一些示例中，可将根据本发明的电池设计成具有指定的工作寿命。工作寿命可通过测定湿气渗透的实际量来估算，湿气渗透的实际量可用特殊电池系统获得，然后估算这种湿气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。
金属/金属、金属/玻璃、金属/陶瓷、玻璃/玻璃、半导体/半导体以及
金属/半导体密封件
可存在多种形成固体材料间气密或良好密封交界的方式，该交界可用作电池化学物质安全壳。用于在固体材料间形成合适的气密机械粘结的典型方式包括软钎焊、硬钎焊和焊接。这些方法可被认为是大体类似的，因为它们均包括热处理两种基体材料(待结合材料，其可为均质或异质材料)和粘结在这两种基体材料之间的填充材料。这些方法之间存在的主要区别可被认为在于，每种方法中用于加热材料的具体温度以及这些温度在一段时间内施加时如何影响每种材料的特性。更具体地讲，硬钎焊和软钎焊都可利用高于填充材料的液相线温度但低于两种基体材料的固相线温度的温度。硬钎焊和软钎焊之间存在的主要区别可被认为是所施加的具体温度。例如，如果所施加温度低于450℃，则该方法可被称为软钎焊，但如果所施加温度高于450℃，则该方法可被称为硬钎焊。然而，焊接可利用高于类似填充材料和基体材料的液相线的施加温度。
上述每一种方法可适用于多种材料组合，并且特定材料组合能够通过这些方法中不止一者粘结在一起。可通过多种特征确定这些用于将两种材料粘结在一起的方法中的最佳选择，这些特征包括但不限于，所需材料的具体材料特性和液相线温度；所需粘结或填充材料的其它热特性；人工或机械粘结两种材料的技能、时间和精度；以及通过每种方法对所粘结材料造成机械或表面损伤的可接受水平。在符合本发明的一些示例中，用于将两种材料粘结在一起的材料可包括纯金属，诸如金、银、铟和铂。这种材料也可包括合金，诸如银-铜、银-锌、铜-锌、铜-锌-银、铜-磷、银-铜-磷、金-银、金-镍、金-铜、铟合金和铝-硅合金。这种材料还可包括活性铜焊合金如活性铜钛合金，其可包含金、铜、镍、银、钒或铝。可存在其它可符合本公开所提及密封需求的硬钎焊材料。
用于这些粘结方法中每一者的不同材料组合可包括金属/金属、金属/玻璃、金属/陶瓷、玻璃/玻璃、半导体/半导体和金属/半导体。
在第一类型的示例中，可形成金属-金属密封件。软钎焊、硬钎焊和焊接都是很常用的金属/金属粘结方法。因为各种金属的材料特性在金属与金属之间变化非常大，因此金属的液相线温度通常可作为针对所需金属使用何种粘结方法的决定性特征，例如，碱金属可具有如此低的液相线温度以致它在硬钎焊温度下将快速融化，或者碱金属可具有如此高的液相线温度以致它在软钎焊温度下不发生化学反应形成合适粘结。
在另一类型的示例中，可形成金属-玻璃(或玻璃-金属)密封件。由于金属和玻璃作为材料的不均匀性，典型金属/金属粘结方法可能不利于金属与玻璃的粘结。例如，用于金属/金属软钎焊的典型填充材料可充分粘结金属，但在热处理下可能不与玻璃反应以粘结至其表面。一种克服这一问题的可能方法是使用粘结两种材料的其它材料(例如，环氧化物)。典型环氧化物在其结构中具有羟基侧基，这可使得它们牢固粘结至无机材料。可方便且经济地将环氧化物施加在材料之间，其普遍粘结过多类型的表面。环氧化物在通过多种方法(例如，混合化学物质，然后快速施加；基于热、光的辐射或将能量导入环氧化物中以诱导粘结/固化反应的其它类型的辐射)，或通过其它方法施加之前或之后也可容易固化。基于许多不同特性(包括但不限于粘结强度、易于施加性、固化方法、固化时间、可粘结材料和许多其它特性)，许多不同类型的环氧化物可具有针对不同应用的不同需求。为了用环氧化物实现真正的气密密封，考虑某些流体透过环氧化物的泄漏速率很重要。另外，用环氧化物气密密封提供了使用铜合金作为线或销的灵活性，同时仍保持气密密封，这与其它类型的粘结或气密密封所需的导电性较差材料相反。但是，与其它粘结方法相比，环氧密封件通常在更加受限的操作温度范围内可行，并且也可具有明显更低的粘结强度。
在另一类型的示例中，可形成金属-陶瓷(或陶瓷-金属)密封件。硬钎焊可视作用于实现金属-陶瓷粘结的典型方法，并且存在多种用于实现材料间气密密封的可靠公认方法。这可包括钼-锰/镍电镀方法，其中钼和锰颗粒与玻璃添加剂和挥发性载体混合在一起以形成施加至待硬钎焊的陶瓷表面的涂层。这种涂层经加工，然后镀覆镍，并进一步加工，现在容易使用标准方法和填充材料进行硬钎焊。
薄膜沉积也可视作另一种常用硬钎焊方法。在这种方法中，可使用物理气相沉积(PVD)方法将材料的组合施加至非金属表面。所施加材料的选择可取决于期望的材料特性或层厚度，并且偶尔施加多层。这种方法具有多种优势，包括多种不同的可能金属用于施加，以及用标准材料获得快速和可靠一致的成功。但是，这种方法也存在一些缺点，包括需要专门PVD设备来施加涂层；如果期望掩模，则需要复杂掩模技术；以及对陶瓷几何形状的限制可阻止形成均一涂层厚度。
材料粘结
当需要密封电池的金属、陶瓷和/或半导体安全壳时，被称为(购自铟泰公司(Indium Corporation)的一种纳米技术材料)的可商购获得的产品可提供重要示例。在一些示例中，可能期望在形成密封件的过程中的任何热效应尽可能局限到密封件自身。复合材料(例如，材料)在形成气密粘结密封件时可提供明显热局部化。类型复合膜可由成百或上千纳米级膜制成。在一个示例中，反应性多层箔通过蒸气沉积成千铝(Al)和镍(Ni)交替层制成。这些层的厚度可为纳米级。当被小脉冲局部电源、光源或热源能量活化时，箔发生放热反应。所得放热反应在千分之一秒内释放一定量能量，将表面加热至非常高的局部温度，但经工程改造后可不释放将增加被密封的金属、陶瓷或半导体件的温度的能量总量。参见图10A，突出显示图8的密封件830的一部分。在图10B中，示出了Nanofoil活化之前的与密封件相关的层的示例。第一中空管800和第二中空管840在每一侧上可涂覆有第一焊料层1010和第二焊料层1030的预湿焊料层。一块材料1020可定位在两个焊料层之间。当活化材料时，可局部融化焊料层并形成密封件830。该图示出了邻接类型接头，但也可存在许多其它接头结构，包括重叠设计、凹槽设计和其它类型的接头，其中一块材料可定位在待密封的两个具有焊料涂层的表面之间。
密封
与材料粘结类似的示例可为材料粘结。材料可包括常规焊料合金基体，材料中添加了钛或其它稀土金属元素，购自晨邦科技有限公司(S-BondTechnologies)。活性物质(如钛)与氧化物或其它惰性物质在粘结界面处反应，与这些物质化学结合或者将这些物质传送到焊料熔体中。在加热时，材料可融化，但其上仍有薄表面氧化物。当破坏表面氧化物时，活性物质与粘结/密封表面区域发生反应。该氧化物可通过刮擦处理，但也可通过超声处理被破坏。因此，可在相对较低温度下引发表面反应，从而可与材料粘结，而这种粘结很难以其它方式实现。在一些示例中，材料可与材料结合形成可局部粘结而不对电池系统其余部分造成明显热负载的结构。
硅粘结
在一些示例中，可用材料实现硅粘结。在一些示例中，S-220M组合物可用于形成可焊接交界。220M材料可在115-400℃范围内的温度下沉积在待粘结/密封的硅表面上。因此，罐状硅片可通过使用掺杂膜(例如，POCl)、通过植入或通过其它掺杂方式高掺杂在封闭端。另一种方式可包括氧化半导体的主体，然后在期望掺杂物的区域中将氧化物进行化学蚀刻。然后可将掺杂区域暴露于钛，并加热形成硅化物。用于形成密封件的硅罐区域可具有施加于其并受热以润湿到硅表面或硅化物表面上的S-Bond 220M材料。在一些示例中，可在用于后续活化的密封区域中施加材料的膜。电池化学物质、电解质和其它结构可形成到罐半块中，然后两个半块可放在一起。在通过超声处理并通过活化材料而同时活化的情况下，可快速形成低温气密密封件。
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，装置可被用户舒适佩戴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。在一些示例中，电池厚度可由顶片和底片、隔离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材原料的标准值。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。
在一些示例中，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。在这些示例中，该期望厚度可由示例性眼科镜片装置的三维几何结构决定，其中该电池部件可需要适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。然后该所得化学能可针对功能性生物医疗装置的电气需求对其目标寿命和工作条件进行平衡。
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多种应用。一般来讲，电池宽度要求可在很大程度上取决于其所施加的应用。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。在具有由电池部件供电的可变光学功能的眼科装置的一些示例中，装置的可变光学部分可占据直径约7.0mm的球形中心区。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适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的直径，并可标出与某一直径球体(例如直径为大约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结构的所需规格的几何模型，所述几何结构在一些示例中可被称为压入环带扇形的锥形截头。
扁平电池的宽度可由电池元件的两个特征结构：有源电池部件宽度和密封件宽度决定。在涉及眼科装置的一些示例中，每个面的目标厚度可介于0.100mm和0.500mm之间，有源电池部件的目标宽度可为大约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。
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示例中，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。在一个示例中，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。电池的挠曲不仅仅是能够机械性地进行挠曲。例如，电极可物理上能够在不破裂的情况下挠曲，但电极的机械和电化学特性可能因挠曲而改变。挠曲引起的变化可立刻显现，例如阻抗的改变，或者挠曲也可引起仅在长期储存寿命测试中显现的变化。
电池形状方面
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。在另一个示例中，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。在一些示例中，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示例中，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。在本公开的一些示例中，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。
电池元件分隔体
本发明所述类型的电池可利用分隔体材料，所述分隔体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。分隔体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体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体的选择、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获得的最薄的分隔体材料。例如，约25微米厚的分隔体可为期望的。可具有优势的一些示例可为约12微米厚。可存在许多可接受的市售分隔体，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)三层分隔体隔膜诸如由Celgard(Charlotte，NC)生产的那些。分隔体材料的可取示例可为具有12微米厚度的Celgard M824 PP/PE/PP三层膜。可用于本发明示例的分隔体材料的另选示例可包括含再生纤维素(例如，赛璐玢)的分隔体膜。
尽管PP/PE/PP三层分隔体膜可由于其聚烯烃特性而具有有利的厚度和机械性能，但为了使分隔体膜在本发明的示例中可用，它们也可存在需要克服的一些缺点。PP/PE/PP三层分隔体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，聚烯烃分隔体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。由于这些分隔体的聚烯烃特性，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，聚烯烃分隔体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体隔膜以用于将部件切割成弧区段或其他有利的分隔体设计，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，那么所述分隔体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，如果所述分隔体隔膜不平坦并且无褶皱，分隔体隔膜的形状精度和几何公差可无法完全实现。例如，当前示例的分隔体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。可通过将分隔体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。由于分隔体隔膜的脆弱性和从粘合剂层释放分隔体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，在一些示例中，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体隔膜。在层合之前，分隔体隔膜被制成不含颗粒。这可通过超声清洗分隔体隔膜以分离任何表面粘附颗粒来实现。在一些示例中，分隔体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体形状。一个要求可为液体具有足够低的表面张力以吸入到分隔体材料的孔中，这可以通过目测检查轻松确认。在一些示例中，当液体填满所述材料的微孔时，分隔体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体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，在一些示例中，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。在一个示例中，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体，而无需过多的切割激光束穿过次数。在一些示例中，分隔体可使用该方法利用8W 355nm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。
在一些示例中，分隔体可在固定到浮法玻璃上时进行切割。将分隔体固定到浮法玻璃载体上进行激光切割的一个优势可为，可从一个分隔体存料片切割出非常高数量密度的分隔体，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，可最小化废弃分隔体膜的生成。一旦分隔体已被切割，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，在一些示例中可用高挥发性溶剂诸如异丙醇来进行最后的萃取。分立的分隔体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，聚烯烃分隔体隔膜可固有地疏水，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。一种使分隔体隔膜可润湿的方法可为氧等离子体处理。例如，分隔体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。另一种改善分隔体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体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体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/或非共价附着到经等离子体处理的表面。在使用有机硅烷的示例中，微孔分隔体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，分隔体的孔可变得被封闭，从而在电化学电池操作期间不利地影响分隔体的效用。可用于本发明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体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体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，锌物质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，以确保可获得分隔体可润湿性，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，一种用于赋予分隔体隔膜可润湿性，并且另一种用于促进对锌阳极的抗腐蚀性质。在一个示例中，没有对分隔体膜进行亲水处理，并且一种或多种表面活性剂以足以实现分隔体隔膜的可润湿性的量被添加到电解质制剂中。
分立的分隔体可通过直接置于管组件一侧或两侧的一部分中而集成到管状微电池中。
聚合电池元件分隔体
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体(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示例的材料选项的处理复杂性。
实现均匀、机械稳固的原位成型分隔体的方法可使用可紫外固化的水凝胶制剂。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示例可为聚(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。
在一些示例中，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CGI 819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体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示例可包括聚乙烯吡咯烷酮和聚环氧乙烷。
在一些示例中，如前所述，可浇铸、可聚合的分隔体可有利地被施加到设计的腔中。在另选的示例中，在聚合时可没有腔。相反，可浇铸、可聚合的分隔体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体材料。然后可通过暴露于适当的清洗溶剂来移除未反应的分隔体材料。在这些示例中，分隔体材料可被指定为可光图案化的分隔体。
多组分分隔体制剂
根据本发明示例可用的分隔体可具有可对其功能重要的多种特性。在一些示例中，分隔体可有利地以如下方式形成：产生物理阻隔，使得分隔体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，分隔体需要最佳的水吸收，以优化分隔体的机械性能。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示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。具体的示例可包括TEGDMA(四乙二醇二甲基丙烯酸酯)、TrEGDMA(三乙二醇二甲基丙烯酸酯)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、乙二胺二甲基丙烯酰胺、甘油二甲基丙烯酸酯以及它们的组合等。
在一些示例中，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，并且在一些示例中，可改善本发明的分隔体的润湿性。在一些非限制性示例中，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有机硅水凝胶制剂中时，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。
在一些示例中，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示例。在这些示例中，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示例。
高分子量亲水性聚合物的示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-乙基恶唑啉、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)可为期望的示例。
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CGI 819、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。
与这类分隔体相关联的方法还可包括接收CGI 819，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。在一些示例中，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。
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互，并可横跨这些环境之间的边界或密封件。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示例中，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。除了在密封件与电池包装件之间可能需要的粘附之外，在密封件与互连器之间也可能需要粘附。在电池内部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故障点。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互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。
集流体和电极
设想许多集流体和电极设计是通过将金属膜沉积在侧壁上形成的或通过使用金属线作为基底来形成集流体和电极。已示出这些设计的示例。然而，可存在一些利用管电池型式的其它集流体或电极设计的设计。
在锌-碳电池和勒克朗谢电池的一些示例中，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。在一些示例中，印刷的碳墨可用在薄电化学电池中以替代用于阴极集流体的烧结碳棒，并且在这些示例中，所得的装置可在不显著损害所得的电化学电池的情况下形成。通常，所述碳墨可直接施加到可包括聚合物膜或在一些情况下可包括金属箔的封装材料。在其中封装膜可为金属箔的示例中，碳墨可能需要保护下面的金属箔免受电解质的化学降解和/或腐蚀。此外，在这些示例中，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导电性，这意味着围绕碳墨或穿过碳墨进行密封。
碳墨还可应用于具有有限且相对小厚度(例如，10微米至20微米)的层。在其中总内部包装件厚度可仅为约100至150微米的薄电化学电池设计中，碳墨层的厚度可占据电化学电池的总内部体积的相当大一部分，从而不利地影响电池单元的电气性能。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积而减少，因此可直接在集流体厚度和电阻之间进行权衡。碳墨的本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。鉴于这些因素，在一些示例中，可能需要通过将薄金属箔用作集流体来实现本发明的高效且高性能的薄电化学电池，或者可能需要将薄金属膜施加到下面的聚合物封装层来充当集流体。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。
在一些示例中，管形式中的一者或多者可用作电极和集流体的基底或用作集流体自身。在一些示例中，管形式的金属在其表面上可具有沉积物。例如，金属管件可用作溅镀集流体金属或金属叠堆的基底。可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。可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上以生出厚的导体层。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。
由多种材料制成的线也可用于形成集流体和/或电极的基底。在一些示例中，金属导体可穿透绝缘体材料(例如，玻璃或陶瓷)以提供分离的电集流体触点。在一些示例中，线可由钛制成。在其它示例中，可使用包括但不限于铝、钨、铜、金、银、铂的其它碱金属，并可在其上施加表面膜。
阴极混合物和沉积
可存在与本发明的概念一致的许多阴极化学混合物。在一些示例中，可作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)或一些其它粘结剂添加剂。在一些示例中，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体和/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孔板。在一些示例中，阴极混合物可在用于稍后电池组装步骤之前干燥，而在其他示例中，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湿气含量。
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，本发明的电池中可用的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、分隔体厚度、分配顶端直径、孔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、振动或其它工艺将固体材料从一个平均粒度减小至较小的平均粒度。研磨也可以用来将可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。研磨的一个示例可为喷射研磨。研磨之后，固体状态被改变，例如粒度、粒度分布和颗粒形状。聚集体研磨工艺还可用于从聚集体去除或分离污染或湿气以在输送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颗粒混合物。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助于阴极的粘度、流变特性、导电性和其它特性。研磨可通过控制阴极混合物成分的附聚或质量集合而有助于以上特性。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。
在一些示例中，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。在另选的示例中，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。
阴极还可包含氧化银、氯化银或羟基氧化镍。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示例。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。
阴极混合物的一些示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。可用于本发明的粘结剂聚合物的示例包括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)、苯乙烯-丁二烯乳胶嵌段共聚物、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、水泥(包括波特兰水泥)等。
溶剂可为阴极混合物的一种组分。溶剂可用于润湿阴极混合物，这可有助于混合物的颗粒分布。溶剂的一个示例可为甲苯。另外，表面活性剂也可用于润湿，从而分散阴极混合物。表面活性剂的一个示例可为洗涤剂，诸如购自陶氏化学公司(Dow ChemicalCompany)的TritonTM QS-44。TritonTM QS-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。碳同素异形体的示例包括：金刚石、石墨、石墨烯、无定形碳(俗称炭黑)、巴克球、玻璃碳(也称为玻璃态碳)、碳气凝胶以及能够导电的其它可能形式的碳。碳同素异形体的一个示例可为石墨。
在一些示例中，阴极可沉积在管壁或线状阴极集流体上。管壁和线在一些示例中可为金属的，并且其上可电沉积有阴极化学物质(例如，二氧化锰)。在其它示例中，电解二氧化锰涂层可在阴极集流体上形成。
电沉积锰氧化物阴极沉积
如上所述，阴极可电沉积在导电电极体上。在一些示例中，阴极可包括金属导电电极上的电沉积锰氧化物膜。例如，2mm直径钛棒(＞99.99％纯度)可用作电沉积二氧化锰的基底。在电沉积之前，基底可经物理糙化或经化学蚀刻并用合适溶剂(例如，丙酮)清洗其表面。在一些示例中，可在三电极电池中进行电沉积；然而，也可在两电极电池中进行电沉积。可将基底及其周围化学物质加热诸如至大约96℃，但较宽温度范围也是可能的。并且在一些示例中，由于各种原因，较高温度可能是有利的。基底可具有大约50mm2的电镀表面积。但是，在这些组实验中，电沉积是在电解质(其组成类似于商业上用于EMD电沉积的电解质，其可包括含1.0MMnSO4+0.4M H2SO4的溶液)中进行的。在一些示例中，电沉积初始可在低电流密度(例如，19A/m2)下进行一分钟，以便在基底上形成稳定且致密的锰沉积物层。然后，可将电流密度一步增加例如至66或112A/m2，以便在致密层上沉积EMD多孔层。
参见图11，示出了性能测试结果，其中钛棒上电沉积EMD样品用作电池阴极，锌箔用作阳极。该图示出了电池势能1110与从电池放电的电荷1115的曲线。阳极和阴极在测试装置中以物理方式隔离，并且它们位于组成为NH4Cl(26.0重量％)、ZnCl2(8.8重量％)和H2O(65.2重量％)的电解质中。所示测试结果是通过采用线性扫描伏安法(LSV)，以在环境温度下操作的电池的0.05mV/s恒定放电速率得到的。经计算每个电池的容量可高达1.0V的电池电势(相比于Zn电极)。不同样品得到不同的电曲线，其中差异为电沉积在钛棒上的二氧化锰的量。
在下表中，示出了不同样品的枚举加工条件的示例性结果。
因此对于4.1μm的所计算沉积物厚度，得到曲线1121。对于8.3μm的所计算沉积物厚度，得到曲线1122。对于12.4μm的所计算沉积物厚度，得到曲线1123。对于16.5μm的所计算沉积物厚度，得到曲线1124。并且对于33.0μm的所计算沉积物厚度，得到曲线1125。
可采用相同加工条件制备用于SEM分析的样品。参见图12，示出了俯视显微图1210以及电沉积二氧化锰沉积物的示例性横截面1220。
带EMD电极的示例性电化学产能电池
如所提及，对于设计和构造含有小于100mg EMD作为正极活性物质的极小电化学电池，尤其对于构造含有小于10mg EMD作为正极活性物质的微型电化学电池，本发明可特别有利。在含有100mg固体EMD的电池中，根据约3.45g-cm-3的EMD堆密度，EMD可占据约29.0uL的体积。在这样薄或极小的电池中，固体EMD正极的厚度可保持在1,000微米以下，更优选可保持在100微米以下，或甚至50微米以下。
这可能是有利的，因为这使得即使不存在任何导电添加剂时，整个固体EMD正极厚度上也可保持低电阻。
在非限制性示例中，可形成大约100微米厚度、3.45g-cm-3典型堆密度的固体EMD沉积物。在这样的示例中，尺寸为1cm×1cm×100微米电极的所计算电阻可为10欧姆。该沉积物的体积可为大约0.1cm3，质量可为0.345g或345mg。MnO2含量可为约316mg。这样的示例可具有大约97.3mAh的理论1e-容量。
在一些示例中，预期放电速率可能很低，诸如约C/24，这可相当于大约4.05mA的恒定电流。对于典型Zn-MnO2电池、锌碳电池或碱性电池，这种低漏极上的平均放电电压可为约1.2V。根据欧姆定律E＝IR，可计算约R＝E/I＝1.2V/4.05mA＝0.296K-Ohm＝296Ohms的负载。
因此可以看出，即使对于100微米厚沉积物，沉积物电阻对电路总体电阻的贡献可仅为约10欧姆对约296欧姆的所施加负载，这对应于总电阻的约3％。更薄的沉积物可能产生甚至更低的影响。对于较低放电速率(例如，C/60或C/100)也是如此。
在一些示例中，已制备固体EMD电极，并且该电极以类似速率放电，显示出120％-130％的理论容量。因此，利用固体EMD电极可显著改善对电池的小或微型电池形式的设计限制，并且在一些示例中，设计者在设计具有固体EMD正极的小或微型电池时，可假设完全理论容量。
在一个示例中，利用用于制造电池级EMD的典型商业条件可制备EMD沉积物。这些可包括将包含锰的浴保持在大约94-98摄氏度的温度下。在一些示例中，浴的组成可包括0.09-1.2摩尔/升MnSO4以及0.2-0.8摩尔/升硫酸H2SO4。在一些示例中，在导电支撑体上的电镀可继续以具有2.5-8.0A/ft2近似电流密度的所施加电流进行。
在其它示例中，可采用用于以上所列举示例性范围之外的这些参数的条件，并且这些条件可导致对其它感兴趣参数(例如，粘附力、破裂强度、孔隙度、导电性和不同放电速率下的放电效率)的改善。
可将EMD镀覆到多种导电基底(例如，碳、碳填充导电聚合物、Ti、Zr、Hf、Mo、Nb、Ta、Pt、Pd、Os、Ir、Ru、Rh或Au或导电合金或包含这些元素的导电化合物)上。优选的基底可为Ti、Zr和碳纤维或碳布。
基底的形状可取决于采用基底的电化学产能电池的设计。例如，如果电池为圆柱状构型，则可使用圆柱形基底，诸如线或线丝或长纤维。如果电池为薄平面设计，则可采用平坦基底，诸如箔、机织布或薄纤维垫。
在平坦平面设计的示例性情况中，可将EMD电极镀覆到平面集流体的一例或两侧上。当在产能电池中放电时，镀覆到两侧上对于降低可导致沉积物在电镀期间或随后变形和剥落的机械应力可能是有利的。
在电镀之后，可能可取的是，用纯水冲洗所沉积电极以除去电镀浴(MnSO4和H2SO4)中的残余溶液。另外可能希望以保护其不弯曲或机械震动的方式来存储电镀电极。在一些示例中，可在小于60摄氏度的中等温度下干燥或部分干燥电极。将电极保存在潮湿条件下直至用于构建产能电池可能是有利的。
如果将固体EMD电极镀覆在柔性、平坦基底上，则它也可用于螺旋型或分层圆柱体或棱柱状电池中。在一些这样的示例中，所得电池可包含总共超过100mg EMD。
在非限制性示例中，可将电极镀覆到薄Ti箔的两侧上，以在该箔每一侧上得到10-200微米的最终EMD厚度。然后可将薄多孔分隔体置于电镀电极的两面上，接着可将单个Zn箔放在一个或另一个分隔体上。随后可将所得组件卷成胶状压炼构型，插入圆柱体或棱柱容器中并用电解质润湿。
或者，一旦组装了分隔体/电镀箔/分隔体/Zn箔夹层构型，就可像手风琴一样来回折叠以得到正方形或矩形棱柱构型，然后插入棱柱状容器中。如果将各个层切割或冲压为一系列连接多边形，例如一系列附接六边形片，然后在手风琴样折叠之后可得到多边形横截面。
无论选择哪种构型，圆柱体构型还是棱柱构型，产能电池可具有极高几何面积以及非常薄的电极和分隔体层，导致在1.5-1.8V的工作电压下接近电解质电容器的极高速率能力。
阳极和阳极抗蚀剂
本发明的管电池的阳极可例如包含锌。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，锌可为一个示例，但也可存在可有效实现超小电池设计所需的其它物理形式的锌。
锌电镀是许多工业应用中使用的工艺类型，例如用于金属部件的保护性或美观性涂覆。在一些示例中，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许多不同的构型。用于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。就光掩模而言，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洁技术来去除未固化的光致抗蚀剂。结果可为导电材料的可接收电镀锌处理的图案化区域。虽然该方法可为待镀覆的锌的形状或设计提供有益效果，但该途径可能需要使用可用的可光图案化材料，这些材料可具有对于总体电池单元包装件构造受限的特性。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。
可放置锌掩模，然后可对一种或多种金属材料进行电镀。在一些示例中，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。在其中阳极侧封装包括其上已施加有晶种金属材料的聚合物膜或多层聚合物膜的另选设计示例中，锌和/或用于沉积锌的镀覆解决方案可不与下层的晶种金属材料在化学上相容。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晶种金属，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。在一些示例中，铟可被成功地沉积在各种籽晶金属化层诸如Ti-W和Au上。所述晶种金属化层上所得的1-3微米铟膜可为低应力和低粘附性的。这样，阳极侧封装膜以及具有铟顶层的附接的集流体可为适形且耐用的。在一些示例中，可将锌沉积在经过铟处理的表面上，所得的沉积物可能非常不均一且为结节状的。这种效应可出现在较低电流密度设置中，例如20安每平方英尺(ASF)。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物上。在某些电化学电池设计中，锌阳极层的竖直空间裕量可至多达约5-10微米厚，但在一些示例中，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所需的最大阳极竖直厚度。结节状锌生长杆状物可来自铟的高的超电势与铟氧化物层的存在的组合。
在一些示例中，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微米的垂直空间裕量时，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在于减少H2的形成，这可以是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，铟可自发地电镀到暴露的锌表面以及暴露的阳极集流体部分上。
商业一次电池中常用的锌和类似阳极可通常以片材、棒材和糊剂形式出现。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，可能需要特殊的镀覆工艺参数、镀槽组合物、表面处理以及电解质组合物来优化电极性能。
电池架构和制造
电池架构和制造技术可为紧密相关的。如本发明前述部分所论述，电池可具有下列元件：阴极、阳极、分隔体、电解质、阴极集流体、阳极集流体和管状形式安全壳。在一些示例中，设计可具有双重用途部件，例如使用金属包装罐或管兼作集流体。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。在一些示例中，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。
电池的生物相容性方面
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。在一些示例中，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。在一些示例中，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示例可涉及，在非限制性示例中，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。
这种装置的安全性可能受下列因素影响：形成或制成装置的材料；用于制造装置的那些材料的量；以及将装置与周围主体上或主体内环境隔开所施加的封装。在一个示例中，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。在一些示例中，这类起搏器通常可用焊接气密钛外壳或在其它示例中多个封装层封装。新兴动力生物医疗装置可对封装、尤其是电池封装提出新的挑战。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。在这类示例中，可极大降低可用于封装的体积和面积。有限体积的优势可在于，材料和化学物质的量可如此少以便内在地将暴露于使用者的可能性限制在低于安全限值的水平下。
基于管(尤其当它包括气密密封件时)的方法可提供加强生物相容性的方式。每个管部件均可明显阻止材料进出。另外，利用本文所论述的许多气密密封方法，可形成具有优异生物相容性的电池。
接触镜片裙边
在一些示例中，可在生物医疗装置中形成封装层的优选包封材料可包括包含有机硅的组分。在一个示例中，该封装层可形成接触镜片的镜片裙边。“含有机硅的组分”是指在单体、大分子单体或预聚物中包含至少一个[-Si-O-]单元的组分。优选地，以含有机硅的组分的总分子量计，所有Si和所连接的O在含有机硅的组分中的含量大于约20重量％，更优选地大于30重量％。可用的含有机硅的组分优选地包含可聚合的官能团，诸如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙烯基、N-乙烯基内酰胺、N-乙烯基酰胺和苯乙烯基官能团。
在一些示例中，围绕插入件的眼科镜片的裙边(也称为插入件封装层)可由标准水凝胶眼科镜片制剂构成。具有可向多种插入件材料提供合格匹配特性的示例性材料可包括那拉菲康族(包括那拉菲康A和那拉菲康B)和依他菲康族(包括依他菲康A)。下文将对与本领域一致的材料性质进行更全面的技术讨论。本领域中的技术人员可认识到，除所讨论的那些材料之外的其它材料还可形成被密封和封装插入件的合格的封装件或部分封装件，并且应将其视为符合并包含在权利要求书的范围内。
合适的含有机硅的组分包括式I的化合物
其中
R1从一价反应性基团、一价烷基或一价芳基(以上基团的任一个还可包括从羟基、氨基、氧杂、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰胺基、氨基甲酸根、碳酸盐、卤素或它们的组合中选择的官能团)；以及一价硅氧烷链(包括1-100Si-O重复单元，所述单元还可包括从烷基、羟基、氨基、氧杂、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰胺基、氨基甲酸根、卤素或它们的组合中选择的官能团)中独立地选择；
其中b＝0至500，应当理解，当b不为0时，b为众数等于设定值的分布；
其中至少一个R1包含一价反应性基团，并且在一些示例中介于一个和三个之间的R1包含一价反应性基团。
如本文所用，“一价反应性基团”为可经历自由基和/或阳离子聚合的基团。自由基反应性基团的非限制性示例包括(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯基、乙烯基、乙烯基醚、C1-6烷基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、C1-6烷基(甲基)丙烯酰胺、N-乙烯基内酰胺、N-乙烯基酰胺、C2-12烯基、C2-12烯基苯基、C2-12烯基奈基、C2-6烯基苯基、C1-6烷基、O-乙烯基氨基甲酸酯和O-乙烯基碳酸酯。阳离子反应性基团的非限制性示例包括乙烯基醚或环氧基团、以及它们的混合物。在一个实施方案中，自由基活性基团包括(甲基)丙烯酸酯、丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰胺以及它们的混合物。
合适的一价烷基和芳基基团包括未取代的一价C1至C16烷基基团、C6-C14芳基基团，诸如取代的和未取代的甲基、乙基、丙基、丁基、2-羟丙基、丙氧基丙基、聚乙烯氧丙基、它们的组合等。
在一个示例中，b为0，一个R1为一价反应性基团，并且至少3个R1选自具有一至16个碳原子的一价烷基基团，并且在另一个示例中，选自具有一至6个碳原子的一价烷基基团。该实施方案的有机硅组分的非限制性示例包括2-甲基-，2-羟基-3-[3-[1，3，3，3-四甲基-1-[(三甲基甲硅烷基)氧基]二硅氧烷基]丙氧基]丙酯(“SiGMA”)、2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙氧基丙基-三(三甲基甲硅烷基)硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基甲硅烷基)硅烷(“TRIS”)、3-甲基丙烯酰氧基丙基双(三甲基甲硅烷基)甲基硅烷和3-甲基丙烯酰氧基丙基五甲基二硅氧烷二硅氧烷。
在另一个示例中，b为2至20、3至15或在一些示例中为3至10；至少一个末端R1包含一价反应性基团，并且其余的R1选自具有1至16个碳原子的一价烷基基团，并且在另一个实施方案中，选自具有1至6个碳原子的一价烷基基团。在另一个实施方案中，b为3至15，一个末端R1包含一价反应性基团，另一个末端R1包含具有1至6个碳原子的一价烷基基团，其余的R1包含具有1至3个碳原子的一价烷基基团。本实施方案的有机硅组分的非限制性示例包括(一-(2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙基)-丙基醚封端的聚二甲基硅氧烷(400-1000MW))(“OH-mPDMS”)、一甲基丙烯酰氧基丙基封端的一-n-丁基封端的聚二甲基硅氧烷(800-1000MW)，(“mPDMS”)。
在另一个示例中，b为5至400或10至300，两个末端的R1均包含一价反应性基团，其余的R1独立地选自具有1至18个碳原子的一价烷基基团，所述一价烷基基团在碳原子之间可以具有醚键并且还可以包含卤素。
在一个其中需要有机硅水凝胶镜片的示例中，本发明的镜片将由这样的反应性混合物制成：按由其制成聚合物的反应性单体组分的总重量计，该反应性混合物包含至少约20重量％的含有机硅组分，优选地包含介于约20重量％和70重量％之间的含有机硅组分。在另一个实施方案中，一至四个R1包含下式的乙烯基碳酸酯或氨基甲酸酯：
式II
其中：Y代表O-、S-或NH-；
R代表氢或甲基；d为1、2、3或4；并且q为0或1。
含有机硅的乙烯基碳酸酯或乙烯基氨基甲酸酯单体具体包含：1，3-双[4-(乙烯氧基羰基氧基)丁-1-基]四甲基-二硅氧烷、3-(乙烯氧基羰基硫基)丙基-[三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷]、3-[三(三甲基甲硅烷氧基)甲硅烷基]丙基烯丙基氨基甲酸酯、3-[三(三甲基甲硅烷氧基)甲硅烷基]丙基乙烯基氨基甲酸酯、碳酸三甲基甲硅烷基乙基乙烯酯、碳酸三甲基甲硅烷基甲基乙烯酯，以及
其中模量低于约200的生物医疗装置是期望的，仅一个R1应当包含一价反应性基团，并且其余R1基团中的不超过两个将包含一价硅氧烷基团。
另一类含有机硅组分包括以下各式的聚氨酯大分子单体：
式IV-VI
(*D*A*D*G)a*D*D*E1、
E(*D*G*D*A)a*D*G*D*E1或
E(*D*A*D*G)a*D*A*D*E1
其中：
D代表具有6至30个碳原子的烷二基、烷基环烷二基、环烷二基、芳二基或烷基芳二基；
G代表具有1至40个碳原子而且可在主链中含有醚键、硫代键或胺键的烷二基、环烷二基、烷基环烷二基、芳二基或烷基芳二基；
*代表氨基甲酸酯或脲基键；
a为至少1；
A代表由下式表示的二价聚合基：
式VII
R11独立地代表具有1至10个碳原子的烷基或氟取代的烷基基团，其在碳原子之间可含有醚键；y为至少1；并且p提供400至10,000的部分权重；E和E1中的每个独立地代表由下式表示的可聚合不饱和有机基：
式VIII
其中：R12为氢或甲基；R13为氢、具有1至6个碳原子的烷基或-CO-Y-R15基，其中Y为-O-、Y-S-或-NH-；R14为具有1至12个碳原子的二价基；X代表-CO-或-OCO-；Z代表-O-或-NH-；Ar代表具有6至30个碳原子的芳香基；w为0至6；x为0或1；y为0或1；并且z为0或1。
优选的含有机硅组分为聚氨酯大分子单体，其由下式表示：
式IX
其中R16是在去除异氰酸酯基团之后的二异氰酸酯的双自由基(诸如异佛乐酮二异氰酸酯的双自由基)。其它适宜的含有机硅大分子单体为由氟醚、羟基封端的聚二甲基硅氧烷、异佛乐酮二异氰酸酯和甲基丙烯酸异氰基乙酯反应形成的式X化合物(其中x+y为10至30范围内的数值)。
式X
其它适用于本发明的含有机硅组分包括含聚硅氧烷、聚亚烷基醚、二异氰酸酯、聚氟代烃、聚氟醚和多糖基团的大分子单体；具有极性氟化接枝或侧基(末端二氟代碳原子上连接有氢原子)的聚硅氧烷；含醚键和硅氧烷键的亲水硅氧烷基甲基丙烯酸酯；以及含聚醚和聚硅氧烷基团的可交联单体。在一些示例中，聚合物主链可具有掺入到其中的两性离子。当材料以溶剂形式存在时，这些两性离子可表现出沿聚合物链的两种极性的电荷。两性离子的存在可改善聚合材料的可润湿性。在一些示例中，上述聚硅氧烷中的任一个也可用作本发明中的封装层。
生物相容性电池可用于生物相容性装置诸如例如植入式电子装置诸如起搏器和微能量收集器、用于监测和/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。
已描述了具体的示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例性实施方案。这些示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示例。

Claims (24)

1.一种生物医疗装置，包括：
电活性部件；
电池，所述电池包括：
阳极集流体；
阴极集流体；
阳极；
阴极，其中所述阴极包含电沉积阴极化学物质；以及
第一生物相容性封装层，其中所述第一生物相容性封装层封装至少所述电活性部件和所述电池。
2.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述阴极包括碳布，所述阴极化学物质已电沉积到所述碳布上。
3.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述阴极包含电解二氧化锰。
4.根据权利要求3所述的生物医疗装置，其中所述阴极集流体包含钛，其中所述电解二氧化锰镀覆在所述钛的第一表面上。
5.根据权利要求4所述的生物医疗装置，其中所述电解二氧化锰镀覆在所述钛的第二表面上。
6.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述阳极包含锌。
7.根据权利要求6所述的生物医疗装置，其中所述阳极化学物质包含电沉积锌。
8.根据权利要求1所述的生物医疗装置，还包括电解质，其中所述电解质包含NH4Cl、ZnCl2和H2O。
9.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中用于将阴极化学物质电沉积到所述阴极上的电镀浴包含MnSO4和H2SO4。
10.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中沉积在所述阴极上的阴极化学物质膜的厚度为大约10微米深。
11.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中沉积在所述阴极上的阴极化学物质膜的厚度小于大约100微米深。
12.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中沉积在所述阴极上的阴极化学物质膜的厚度小于大约500微米深。
13.根据权利要求1所述的生物医疗装置，还包括分隔体，其中所述分隔体包括微纤维化、微孔的聚乙烯单层。
14.根据权利要求3所述的生物医疗装置，其中所述生物医疗装置为眼科装置。
15.根据权利要求14所述的生物医疗装置，其中所述眼科装置为接触镜片。
16.一种电池，包括：
阳极集流体；
阳极；
阴极集流体，其中所述阴极集流体为
金属线；以及
阴极，其中所述阴极化学物质电沉积在所述阴极集流体上。
17.一种电池，包括：
阳极集流体，其中所述阳极集流体为
在第一端部上闭合的第一金属管；
阳极，其中所述阳极化学物质被包含在所述第一
金属管内；
阴极集流体，其中所述阴极集流体为线；
陶瓷端盖，所述陶瓷端盖具有与所述第一金属管密封交接的第一密封表面和与所述阴极集流体密封交接的第二密封表面；
阴极，其中所述阴极化学物质电沉积在所述阴极集流体上；以及
位于所述第一密封表面和所述第一金属管之间的间隙中的密封材料。
18.一种制造电池的方法，包括：
获得阴极集流体；
粗糙化所述阴极集流体的表面；
将所述阴极集流体置于包含锰盐的化学浴中；
将电镀电极置于所述化学浴中；
在所述阴极集流体和所述电镀电极上建立电势，其中所述电势导致
二氧化锰电化学沉积在所述阴极集流体上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述二氧化锰的电沉积厚度小于约100微米。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述阴极集流体沿第一方向小于1毫米宽，其中所述方向与所述二氧化锰的电沉积厚度成直角。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括将所述阴极集流体与电沉积阴极化学物质连同至少阳极、阳极集流体、分隔体和电解质组装在一起，并将所述组件封装在其周边上密封的生物相容性材料中。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括将所述封装组件置于生物医疗装置内。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述生物医疗装置为眼科装置。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述眼科装置为接触镜片。
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