CN107968158A - 具有聚合物电解质的生物医疗通电元件 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有聚合物电解质的生物医疗通电元件”。本发明描述了形成包含聚合物电解质的通电元件的设计、策略和方法。在一些示例中，所述生物相容性通电元件可用于生物医疗装置。在一些另外的示例中，所述生物相容性通电元件可用于接触镜片。

Description

具有聚合物电解质的生物医疗通电元件
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求2016年10月20日提交的美国临时专利申请No. 62/410,530的权益。该专利申请的内容以引用方式并入本文。
背景技术
1.技术领域
本文描述了提高电池的性能和生物相容性方面的设计和方法。在一些 示例中，以固体聚合物形式提供电解质。
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、用于监测和/或测试生物功能的电子药丸、 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。生物相容性装置的形貌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部件供电。因此，需要形成用于植入生物相容性装置内或之上的生物相容性通电元件，在生物相容 性装置中的这些毫米或更小尺寸的通电元件结构在保持生物相容性的同时 也提供了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固有地抵御材料 入侵和散出。聚合物电解质电池设计可实现此类抵御。因此，存在对用于 作为生物相容性通电元件的生物相容性聚合物电解质电池的新型示例的需 要。
发明内容
因此，本文公开了用于在生物相容性通电元件中使用的聚合物电解质 电池设计及相关策略和设计。
一个一般的方面包括生物医疗装置，该生物医疗装置包括电活性部件 和电池。电池可包括聚合物电解质，其中聚合物电解质包含离子物质。电 池还包括二氧化锰阴极。在一些示例中，阴极也可包含锂盐。在另外的示 例中，电解质离子物质也可包含锂。生物医疗装置还包括第一封装层，其 中第一封装层至少封装电活性部件和电池。
具体实施可包括以下特征中的一者或多者。在所述生物医疗装置中， 电池还包括：阳极集流体；阴极集流体；和阳极；其中阳极包含锌，并且 其中阳极和阳极集流体是单层。生物医疗装置还可包括聚合物电解质，其 中电解质包含聚(偏二氟乙烯)(PVDF)。在一些示例中，聚合物电解质可包 含聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)共聚物。在一些示例中，聚合物电 解质包含锌离子。在一些其它示例中，聚合物电解质可包含锂离子。在一些示例中，电池可包含二氧化锰，并且在一些示例中，二氧化锰阴极包含 经气流粉碎的电解二氧化锰。在一些示例中，阴极也可包含锂盐和聚合物 粘结剂。电池可由阴极浆料形成，阴极浆料由包含聚合物粘结剂和填料 (诸如，聚(偏二氟乙烯)和炭黑)的二氧化锰制成。电池可具有由锌形成的 阳极，其中锌在一些示例中可为箔形式。
电池可在封装膜中包括密封件，所述封装膜包封超过90％的不用于进 行外部接触的电池部分。当与这些层形成在一起时，层合结构可用气密密 封的封装来形成，使得电池的厚度小于1mm。在一些示例中，电池厚度小 于500微米。在一些另外的示例中，电池的厚度可小于250微米。
电池可形成为片材，并且各电池可由这些片材切割或分离而成。在一 些示例中，切割电池的形状可为曲线状。
一个一般的方面包括用于形成电池的方法，该方法涉及获得阴极集流 体膜，其中阴极接触膜包含钛。该方法还包括用碳涂层涂覆阴极集流体 膜。该方法还包括将二氧化锰浆料沉积到碳涂层上，在二氧化锰浆料中也 可包含锂盐。该方法还包括干燥二氧化锰沉积物。该方法还包括将包含离 子成分诸如锂的聚合物电解质沉积到二氧化锰沉积物上。电解质可层合至 锰沉积物。该方法还包括干燥聚合物电解质。该方法还包括将锌箔层合至 聚合物电解质，使得锌箔可为阳极和阳极集流体。该方法还包括将锌箔、 聚合物电解质、二氧化锰沉积物和阴极集流体封装在生物相容性封装膜 中。该方法还包括分离电池元件。在一些示例中，阳极集流体和阴极集流 体可附接至生物医疗装置的电活性装置。作为形成生物医疗装置的一部 分，可将电池和连接的电活性装置封装在第二生物相容性封装层中。
附图说明
图1A至图1D示出了与接触镜片的示例性应用一致的生物相容性通电 元件的示例性方面。
图2示出了具有聚合物电解质的示例性电池单元。
图3A示出了具有示例性阳极和阴极连接部的第一独立式包装的生物 相容性通电元件。
图3B示出了具有示例性阳极和阴极连接部的第二独立式包装的生物相 容性通电元件。
图4A至图4F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5A至图5D示出了用根据本发明的聚合物电解质制作的样本的示例 性电池特性。
具体实施方式
本专利申请公开了用于形成和使用具有聚合物一次电池化学物质的生 物相容性电池的方法。聚合物电解质是构建在以下方面具有改善的能力的 电池的关键组分：将电池化学物质包含在封装内，以及降低作用到包含在 封装件或封装内的内部电池部件上的力。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。阳极制剂以及阳极制剂所形成的结构可被设计用于在生物相容性电池 中使用。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 体中或其附近使用。
对生物相容性电池性能的一个重要需求涉及这些电池对其环境的敏感 度，尤其涉及对其环境中湿气的敏感度。具有含水电解质制剂的电池在这 些方面可能极为敏感。在一些情况下，如果封装策略不阻止水移动，则水 可能移动到电池之外进入其周围环境，而这可导致电解质干燥，从而显著 影响电池性能参数诸如内电阻。在一些其它情况下，如果封装策略允许甚 至少量的水跨越，水也可扩散到电池中。水扩散到这些电池中的结果可导致电解质稀释，从而影响电池性能，并且导致电池主体溶胀，进而可导致 电池封装破裂，从而造成显著影响。用于配制电池电解质聚合物示例的方 法可导致电池对物质诸如湿气的进入或逸出相对不敏感。此类改善可改善 性能和/或降低对密封和封装工艺的要求。
具有可导致电池对其环境相对不敏感的聚合物电解质的电池可具有高 于并超越对此类不敏感电池的基本需求的多种有益效果。例如，此类聚合 物电解质可具有显著改善的生物相容性，因为电解质无法轻易漏出。而 且，所得的电解质并且在一些示例中所述所得的电解质所形成的分隔体可 更耐受可能是生物医疗装置加工中所必需的下游加工步骤，例如，重叠注 塑所必需的高温和低真空。可存在多种方式来形成具有这些性质的基于聚 合物的电解质。
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，“粘结剂”是指能够表现出对机械变形的弹性反应并且 与其他通电元件部件化学相容的聚合物。例如，粘结剂可包括电活性材 料、电解质、聚合物等。
如本文所用，“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，“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。在其他更特殊的用途中，该术语可用于描述在表面的更小区中的 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，“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，“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，“功率”是指每单位时间内做的功或传递的能量。
如本文所用，“可再充电”或“可再通电”是指恢复到具有更大做功 能力的状态的能力。多种用途可涉及具有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，“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他功能的涂层都可驻留在通过所述涂层彼此 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，还可存在关于如何组装和配置电池的其他示例，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。
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，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(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。
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，即电池部件165和第二电池部 件的区以及电池化学元件160的区。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的示例中电路元件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。 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。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。接触镜片的示例展示 了可如何将生物相容性电池用于生物医疗装置，但该示例并不是限制性 的，因为许多其它生物医疗装置，诸如电子活性药丸、支架、植入物、皮 肤贴和绷带、牙齿植入物、可穿戴电子设备以及电子活性服装和鞋，都可 以是可使用本发明的生物相容性聚合物电解质电池的生物医疗装置的非限 制性示例。
平面型聚合物电解质电池示例
参见图2，以剖视图示出了平面型聚合物电解质电池的示例。在本公 开的后面部分中，讨论了部件以及所述部件的组装方法，但该剖视图给出 了可如何为聚合物电解质一次电池组织重要电池部件的示例。电池可具有 阴极区、阳极区、分隔体以及电解质区和封装。阴极集流体220可形成装 置的基部。阴极集流体220可为由诸如钛、黄铜、不锈钢等的材料形成的 导电金属件。阴极集流体220可涂覆有各种涂层以增强表面粘结并降低电 阻；常用的是碳涂层。阴极集流体220的一部分可从封装280暴露并形成 阴极集流体触点210。用在电池内部的表面涂层可都不沉积在该区中，或者 另选地可被移除以允许有效的外部连接。也可将表面涂层，例如银胶、焊 料或助熔剂，施加到电池外部的阴极集流体触点210以改善连接。阴极230 可形成在阴极集流体220上。阴极230可包括多个部件，所述部件包含电活性阴极化学物质，在非限制性意义上诸如MnO2，以及粘结剂、电解质和 其它添加剂。
聚合物电解质240可形成在阴极230上。在一些示例中，电解质240 可涂覆在阴极或阳极的顶部上。在其它示例中，电解质240可通过丝网印 刷法或浸涂法来施加。可存在多种方法来施加聚合物电解质240。聚合物电 解质240还可用作电池装置的分隔体。
在聚合物电解质240的另一表面上可为阳极250。阳极250可为粘附到 聚合物电解质240的沉积膜、糊剂、箔或固体膜。阳极250可连接至阳极 集流体260。阳极集流体260的一部分可延伸超过封装280以形成阳极集流 体触点270。可存在多种方法来形成所示的示例性结构，并且步骤的顺序可 改变；因此，虽然膜可能被描述为形成在另一个层上，但可以假设该顺序 也可以反转。此外，一些元件可任选地移除；诸如，在一些示例中，阳极 集流体260可与阳极250为同一层。
扁平电池元件的定制形状
在生物相容性电池的一些示例中，电池可成形为扁平元件。参见图 3A，电池元件的矩形轮廓310的示例可被示出为具有阳极连接部311和阴 极连接部312。参见图3B，电池元件的圆形轮廓330的示例可被示出为具 有阳极连接部331和阴极连接部332。
在扁平成形电池的一些示例中，电池形状的轮廓可在尺寸上和几何上 被构造成适配在定制产品中。除具有矩形或圆形轮廓的示例外，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适 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”示 例可为弧形形式。自由形式可具有以下几何结构，当它形成三维形状时， 其可采用适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。
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、模拟/数字混合信号装置的密度、泄漏电流、 布线层以及特殊装置诸如高电压FET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。取决于应用，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，并且截止电压可为 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的影响。
根据电池所连接的电路的要求，电池可需要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工作参数 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。
在一些示例中，三维生物相容性通电元件可为可再充电的。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，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。
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。在其中电池是独立于包括集成电路的电路板 的单独物理元件的示例中，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。
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。 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。
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)固态电池是通常在不可挠曲 的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。在本发明的一些示 例中，模块化电池部件可被设计成使得其可以扁平、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，以适配在生物医疗装 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。
电池模块宽度
可存在可利用本发明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。
电池元件的内部密封件
可能重要的示例是，聚合物电解质电池结合延迟或阻止湿气或其它化 学品运动进入到电池主体中的密封机构。可设计防潮层来使内部湿气水平 保持在设计的水平，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。聚合物电解质可具有固有的优点， 即，从外部区到聚合物电解质中的任何湿气泄漏都可能具有极小影响，并 且在一些示例中可甚至改善电池性能。因此，对于聚合物电解质电池，封 装要求的重要性可固有地降低。
然而，包装件可以是指壳体的主材料。在一些示例中，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接近零的示例性材料可为玻璃或 金属箔。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 橡胶和合成橡胶。可通过使用垫圈型材料来推导出其它示例，所述垫图型 材料可由软木、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，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。
生物相容性电池模块中的附加包装件和基底因素
可存在多种包装和基底因素以决定生物相容性层状微电池中使用的包 装设计的所需特性。例如，封装可能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微米至50微米。此外，封装可在储存寿命期 间提供针对湿气获取或损失的足够扩散阻隔。在许多可取的示例中，封装 件可对氧气侵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。
在一些示例中，封装件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，封装件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：顶部和底部封装 层、压敏粘合剂(PSA)层、隔层、互连区、填充端口以及二次封装。
在一些示例中，顶部和底部封装层可包括金属箔或聚合物膜。顶部和 底部封装层可包括包含多个聚合物和/或阻隔层的多层膜构造。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 示例可为Scotchpak 1109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示例中。
在包括PSA的设计构造中，封装层表面粗糙度可尤其重要，因为PSA 还可能需要密封相对的封装层表面。表面粗糙度可由用于生产箔和膜制备 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微米的封装材料可以是可接受的示例。在一些 示例中，表面粗糙度值可为5微米或更小。并且，在另外的示例中，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 在许多示例，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。
集流体和电极
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。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，所以可直接 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，顶部和/或底部封装层中的一者或多者可用作溅镀集流 体金属或金属叠堆的基底。例如，Scotchpak 1109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。可 用作阴极集流体的示例性金属叠堆可为Ti-W(钛-钨)粘附层和Ti(钛) 导体层。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。PVD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 被电镀到晶种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。
在一些其它示例中，顶部和/或底部封装箔还可用作集流体。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。在一个示例中，阴极集流体封装箔可包含钛箔、哈氏合金C-276 箔、铬箔和/或钽箔。在某些设计中，可对一个或多个封装箔进行精冲、压 印、蚀刻、纹理处理、激光加工、或以其它方式加工，以为成品电池封装 提供所需的形状、表面粗糙度和/或几何结构。
阴极混合物
可存在与本发明的概念一致的许多阴极化学混合物。在一些示例中， 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、悬浮液或浆料施加，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 制阴极混合物糊剂/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，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，过滤可为用于去除附聚的或不需要的颗粒的另一个重要步骤。 不需要的颗粒可包括超大尺寸颗粒、污染物或制备过程中未明确说明的其 他颗粒。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的平均粒度可为7微米，带有可包含颗粒高达约 70微米的大颗粒内容物。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颗粒与碳颗粒之间形成 足够的颗粒间电网络。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，诸如由科腾聚合物公司(Kraton Polymers)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他可能形 式的碳。碳同素异形体的一个示例可为石墨。
一旦阴极混合物已被配制和处理，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体或阴极集流体上，或体积诸如层状结构中的腔 体中。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分配、施用和/或储存过程。 例如，较低粘度的流变特性可允许更好地填充腔体，但同时可能牺牲颗粒 分布。较高粘度的流变特性可允许优化颗粒分布，同时可能降低填充腔体的能力，并可能丧失导电性。
阳极和阳极抗蚀剂
本发明的层状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。
图案化锌阳极的一种另选方式可为采用物理掩模应用。可通过在具有 所需阻隔和/或封装特性的膜中切割所需的孔来制作物理掩模。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件。该剥离衬件可起到如下双重目的：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 是阴极填充步骤期间保护粘合剂。在一些示例中，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微米层厚度的压敏粘 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。在这些示例中，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 超精密孔从而有利于稍后的电镀。大体上，一旦已制成锌掩模，便可移除 剥离衬件的一侧，并且可将具有孔的掩模层合至阳极集流体和/或阳极侧封 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 的清洁和精确掩模。
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 功地沉积在各种晶种金属化材料诸如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为减少H2的形成，这可为发生在 包含锌的水性电化学电池中的缓慢过程。可将铟有利地施加到一个或多个 阳极集流体上，所述阳极本身作为共电镀合金部件或作为电镀锌上的表面 涂层。对于后一种情况，铟表面涂层可有利地通过电解质添加剂诸如三氯 化铟或醋酸铟原位施加。当此类添加剂可以小浓度添加到电解质中时，铟 可自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。
聚合物电解质与分隔体
可存在符合聚合物电池系统的多种不同类型的电解质制剂。在第一类 示例中，电解质可被称为聚合物电解质。在聚合物电解质系统中，聚合物 主链具有变为参与到离子的传导机构中的区。而且，聚合物主链的这些区 还促进盐离子溶解到电解质本体中。一般来讲，电解质本体中溶解离子的 较高含量可得到更好的电池性能特性。可存在用于形成聚合物电解质系统 的聚合物主链的多种聚合物和共聚物系统。在非限制性示例中，聚环氧乙烷(PEO)可为常用聚合物成分。系统的离子传导性可在较高工作温度条件下 改善，但在室温工作条件下可相对较差。在一些示例中，聚合物电解质的 片材形式可被形成为包括离子物质的存在。可使用高温层合加工将片材形 式施加至电极。在其它示例中，可将电解质制剂涂覆在电极表面上。这些 加工选项中的每一者都可用于增强电解质到电极的粘结，而在其它加工条 件下可通常导致不良粘附。
在另一类示例中，可在聚合物电解质电池系统中使用增塑聚合物电解 质。可存在可用于形成增塑聚合物电解质的许多聚合物系统，作为非限制 性示例，包括PEO、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和聚(氯乙烯)，以及其它 聚合物系统。所选的聚合物主链构建其中可结合有溶剂和离子溶质系统的 二维或三维基质。溶剂系统与溶解离子物质的结合使聚合物电解质“增 塑”。与第一类聚合物电解质系统不同，增塑聚合物电解质系统的主链可 不参与到跨电解质的离子输送中。溶剂的存在是与第一类聚合物电解质系 统的另一差别，并且不用于促进离子传送。在一些示例中，出于这些原 因，电池结构的离子输送以及相关的离子传导性在增塑聚合物电解质系统 中可能较高。在一些示例中，增塑聚合物电解质系统的基质可改善与形成 在电解质与其相邻层之间的界面相关的特性。与第一类聚合物电解质一 样，增塑聚合物电解质系统可在高温条件下层合以改善对电极的粘附。
在一个示例中，用于与聚(偏二氟乙烯)聚合物或聚(偏二氟乙烯-六氟丙 烯)(PVDF-HFP)共聚物电极构件组合物一起使用的增塑剂为丙二醇碳酸酯 (PC)。该增塑剂的有效比例可不仅仅取决于所需基质聚合物自身的特性。 所述有效比例还可受到组合物中其它组分的量和特性的严重影响，这些特 性诸如有效电极材料的体积和粒度。例如，在包含PVDF-HFP的正极制剂 中PC的有效量可在电极基质聚合物组分的约60重量％至300重量％之间变 化。因此，鉴于可调节的多种组合物变量，任何制剂中的增塑剂量可在相 当广的有效量范围内以经验确定，并且可取决于使用条件或经测试的电气 结果。
在另一示例性类别的电解质系统中，凝胶电解质系统可为在聚合物电 解质电池中使用的另一类型的电解质系统。凝胶是一种具有与硬化聚合物 网络不同的特性的聚合产物。凝胶由牢固的三维网络组成。该网络通常由 支链单体的共聚形成。该三维网络跨一定体积的液体并通过表面张力效应 将液体粘结在原位。可存在可形成凝胶电解质系统的多种聚合物系统，诸 如PMMA、聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)以及多 种其它示例。凝胶电解质通常可表现出高离子传导性。可使用高温层合来 以良好的粘附特性将凝胶聚合物电解质附连至电极表面。在高温层合加工 之后，可将电解质组合物添加至附接的凝胶聚合物背景，跟海绵吸收液体 组合物非常像。
在聚合物电解质电池的示例中可使用各类聚合物电解质层。考虑到包 括某种类型的阳极材料的系统，在电解质中可包含适合用于使阳极材料输 送离开阳极的离子，因为电解质是稍后形成或在一些示例(诸如凝胶聚合 物电解质系统)中添加的。每种所述类别的聚合物网络形成还可充当电池 的分隔体的层。
在一个示例中，聚合物电解质/分隔体膜可通过使用常用旋涂设备将涂 料组合物的一部分浇铸到抛光硅晶片上来制备，该常用旋涂设备以所需速 度诸如600rpm运行所需时间诸如2s以获得所需厚度和均匀度的膜。膜可 在涂敷设备的范围内在室温下干燥适当时间，诸如约10分钟。涂层组合物 可通过以下方式制备：将约1.5g 380×103的MW KynarFLEX 2801的88∶12 VDF∶HFP共聚物悬浮在约9g的无水四氢呋喃(THF)中，并向该混合物添加 约1.5g的醋酸锌或其它适当电解质盐的1M溶液，形成碳酸亚乙酯(EC)与 丙二醇碳酸酯(PC)的重量比为1∶1的混合物。可对完成的混合物加热一时间 段(诸如30分钟)至升高的温度，诸如约60℃，以有利于溶解。对溶液的 偶尔搅拌可有助于保持溶液的流动性。所得的膜可用作根据多个示例的聚 合物电解质膜以用于形成本讨论中所展示的电池单元。
在一些示例中，可能有用的是，构建由聚合物主链制成的多孔薄膜， 该多孔薄膜随后用电解质浸渍。在非限制性示例中，浇铸溶液可通过以下 方式形成：将大约二比一比率的聚(偏二氟乙烯)(PVDF)和聚(二甲基硅氧烷) (PDMS)混合到包含N-N二甲基乙酰胺(DMAc)和甘油的溶剂混合物中。 DMAc与甘油的比率可改变并且可影响所得分隔层的特性诸如孔隙率。过 量的溶剂混合物可用于允许所得的层收缩在腔体中以形成薄分隔体层。所得的溶液可浇铸在电解质上、辊轧成片材、或者在一些示例中挤出成一定 形状。分配浇铸溶液的其它方式可与本文所述的工艺相一致。然后，可将 结构在室温水浴中浸没20-40小时，以允许甘油析出分隔体层并得到具有所 需孔隙率的层。然后可用包含适当溶剂(诸如水)和电解质(诸如锌基 盐)的溶液浸渍聚合物电解质层。
另一种制备包含聚合物电解质的电池单元的方式可能是从凝胶聚合物 诸如上述基于PVDF的系统开始的，所述聚合物电解质具有用于已结合的 电解质的孔。可用受热的双辊层合装置在约110℃以及约10kg/cm辊压力下 将电极层合至聚合物电解质。在冷却之后，可将层合的电池结构浸没在适 当的溶剂中以提取电极相关的增塑剂。在一些示例中，溶剂可包含丙酮、 乙醚或NMP。然后可将所得的结构风干，直至表面溶剂蒸发，然后可将该 结构在升高的温度诸如约70℃下在循环空气烘箱中放置一小时左右，以继 续去除溶剂、湿气和残余增塑剂。此加工可得到粘结良好的工件，然后可 在氦气气氛中将所述工件连同一定量的电解质诸如溶解在适当溶剂中的锌 盐包装在气密地密封的多层箔/聚合物包封件中。溶剂和电解质可扩散到微 孔薄膜中并用导电电解质浸渍微孔薄膜。
另一种制备包含聚合物电解质的电池单元的方式可能是从可商购获得 的微孔分隔体薄膜开始的，所述聚合物电解质具有用于已结合的电解质的 孔。层合的电化学电池单元可通过将包括阴极和阳极的电极分别连同可包 含电解质的Celgard 2300微孔分隔体组装在一起来制备。可用受热的双辊 层合装置在约110℃以及约10kg/cm辊压力下将电极层合至分隔体。
通电元件-聚合物电解质的示例性所示加工
参见图4A至图4F，展示了包含某种类型的聚合物电解质的聚合物电 解质电池的加工。可以各种方式和顺序加工待形成的各种层，但作为示 例，过程可在图4A中始于获得阴极集流体410。在一个示例中，可将锌金 属的薄箔或膜用于阴极集流体410。为了有助于粘附阴极层，可执行表面处 理以将涂层415添加至钛箔的表面。在非限制性示例中，处理可为碳涂 层，诸如美国新泽西州克利夫顿Lamart公司(Lamart Corporation，Clifton，NJ，USA)提供的碳涂层。在一些示例中，钛箔区可保留不处理，以形成阴极触 点416。在其它示例中，整个箔可被处理以添加涂层，并且涂层可在稍后的 步骤中移除以暴露阴极触点416。
接下来，在图4B中，可将阴极混合物添加在涂层上以形成阴极420。 可以由多种方式来添加涂层，包括喷涂、印刷、以及用橡皮扫帚或刀刃型 层叠工艺来沉积。在刀刃层叠中，可将一定量的阴极混合物沉积在刀刃后 方，并同时沿阴极层拖拽刀刃，从而得到具有均一厚度的受控层。在一些 其它示例中，可通过将阴极材料电沉积在电流导体上来形成阴极。
完成的阴极混合物制剂的一个示例可以如下方式形成。可将由经 Hosikowa气流粉碎的88％Erachem MnO2粉末构成的阴极粉末共混物与 Super P Li炭黑组合以形成5％组合物，并且与Kynar 2801PVDF组合以形 成7％组合物。可将一定量的醋酸锌溶解在NMP中，使得当与阴极粉末共 混物混合时，醋酸锌的量为醋酸锌质量与PVDF质量的比率为1∶10。在混 合时，所得的浆料可悬浮在NMP中，并且NMP的这个量形成含27％固体 的制剂。
所得的浆料可用磁力搅拌棒在诸如大约400rpm的速率下混合10小时 至20小时。可对混合浆料脱气。可用Thinky ARE-250行星式离心混合器 在2000rpm下约2分钟来进行脱气。
接下来，可用刮粉刀将浆料施加成约30微米至80微米的厚度。可在 12.5微米厚的I级钛箔片材上进行浆料沉积，所述钛箔为诸如可购自阿诺德 磁性材料公司(ArnoldMagnetics)的钛箔，其可涂覆有1微米至3微米厚的 碳层。钛箔上的阴极涂层可在受热的实验室烘箱中干燥数小时，诸如18小 时至24小时的时间段，在该烘箱中，温度可为大约50℃。
生物医疗装置中阴极混合物的配制和加工的进一步实现可见于2015年 6月22日提交的美国专利申请14/746,204中所述，该专利申请以引用方式 并入本文。
接下来，在图4C中，可将聚合物电解质430添加至生长的结构。如所 提及，可存在多种类型和类别的可施加的聚合物电解质。在一个示例中， 凝胶聚合物可包含Kynar 2801与30重量％醋酸锌。可将该混合物加入到包 含36％DMSO(二甲基亚砜)和64％NMP(N-甲基吡咯烷酮)的溶剂共混 物中。然后可使用刮粉刀将该溶液施加到阴极。可将所得的涂层在高温环 境中干燥。在一个示例中，可在实验室烘箱中在大约50℃下执行干燥持续 数小时，诸如3小时至6小时。在一些示例中，可在甚至更高的温度诸如 100℃下执行进一步干燥步骤持续一定时间诸如1小时。可多次重复这个涂 覆过程以实现目标厚度。
可存在多种方法来施加聚合物电解质层，诸如通过喷涂、印刷或橡皮 扫帚或刀刃层叠。这里，同样可干燥沉积的层以去除一定量的溶剂。
参见图4D，可将锌阳极440施加到聚合物电解质层。生物医疗装置中 阳极的配制和加工的进一步实现可见于2015年8月6日提交的美国专利申 请14/819,634中所述，该专利申请以引用方式并入本文。
在一些示例中，聚合物电解质的表面层可具有被再次施加以有助于聚 合物电解质与阳极层之间的粘结的附加量的溶剂或聚合物电解质。在其它 示例中，粘结过程可在不再次施加溶剂或聚合物电解质的情况下进行。可 存在多种方法来施加锌阳极；然而，在一个示例中，可将锌箔层合至聚合 物电解质。在一些示例中，层合过程将在排空被施加区周围的气相的同时 施加热量和压力。可在不显著影响聚合物结构的温度和压力水平下，在受热的压力辊之间进行电极与已涂敷的聚合物电解质的层合。例如，可在 70℃与130℃之间，优选在100℃与125℃之间，并且更优选在约110℃下 进行层合。在一些示例中，压力可为介于约20和180千克/厘米(kg/cm)之 间、优选介于约55和125kg/cm之间的线性压力负载。可能明显的是，最 佳的温度和压力条件将取决于具体的层合机构造以及其使用模式。
在一些示例中，可以图4A至图4C中所述的方式加工材料卷，然后可 在图4D所涉及的热真空层合过程中将材料卷层合在一起。这种加工可被称 为卷到卷制造工艺。
参见图4E，可在将对结构进行干燥的热处理450中对所得的聚合物电 解质电池装置退火。在一些示例中，热处理还可改善集流体、阴极、电解 质和阳极之间新形成的界面处的特性。
形成的电池的功能以及其生物相容性可极大地取决于以将电池结构与 其环境隔离并同时允许电池接触封装之外的装置的方式封装聚合物电解质 电池结构。可使用如此前有关密封和封装的部分中已讨论的各种封装方式 来执行封装步骤460。
生物医疗装置中阳极的配制和加工的进一步实现可见于2015年8月17 日提交的美国专利申请14/827,613中所述，该专利申请以引用方式并入本 文。
在一些示例中，可使用一对封装膜来围绕电池元件。这些膜可在各个 位置预切割以暴露集流体触点所在的区。然后，可使两个膜围绕电池元件 并用密封件接合在一起。在一些示例中，密封件可通过对密封层进行热处 理以流入彼此之中并形成密封件的方式来形成。在其它相关示例中，可使 用激光器来形成密封件。可存在其它密封材料，诸如胶水和粘合剂，其可 添加在形成的密封件上以改善密封完整性。
可存在电池元件上执行的其它后处理。在其中对材料卷进行处理以形 成封装电池元件的示例中，后续工艺可从形成的所得片材分离或切割出电 池元件。可使用激光来切割出电池。在其它示例中，可使用模头来冲压出 具有形状特殊的切割表面的电池元件。如先前所提及，一些分离电池设计 可为直线形，而其它设计可为大致曲线形状，从而匹配例如接触镜片插入 件的曲线。
聚合物电解质电池的示例性性能结果。
已使用关于图4A至图4F所述的加工示例形成了聚合物电解质电池的 示例性样本。参见图5A至图5D，提供了示例性样本的特性测量结果。样 本被形成为具有5mm乘以1mm的总形状因数以及大约135微米的厚度。 对于特性测量数据，电池样本的有效阳极面积为大约3×10-3～cm2。在图5A 中，提供了示例性电池单元的放电特性。可观察到电池电压为约1.3V的稳 定性能，表示能量容量和电池寿命性能良好。在图5B中，执行了示例性样 本的频率特性测量，并且显示了所得的“奈奎斯特”曲线图。在图5C和5D中，显示了原始频率特性。图5C显示了所获得的阻抗与频率结果。图 5D显示了从示例性样本测量的相位角与频率结果。
设计良好的密封结构以及相关的密封材料可改善通电装置的生物相容 性，因为材料可保持在不与生物接触表面发生相互作用的区域中。此外， 形成得好的密封可改善电池接收各种类型的力并且不破裂暴露电池一个或 多个腔体的内容物的能力。
聚合物电解质组合物固有地改善通电元件的生物相容性以及其对因外 部扩散而进入到电池中的影响的耐受性。聚合物主链的固态方面，以及其 含有离子(无论是否以溶剂形式)，最大程度地减小了可导致电解质因扩 散到装置外而损失的力。
本文的示例讨论了已根据本发明中所述的各种方式形成的聚合物电解 质一次电池装置。在较高的水平上，在一些示例中，这些电池装置可结合 到生物医疗装置中，所述生物医疗装置诸如参考图1B讨论的眼科镜片。
在接触镜片的示例中，电池装置可连接至电活性元件，其中电池与电 活性元件一起驻留在插入件内，或者电池驻留在插入件之外。可用适当的 水凝胶制剂将插入件、电活性元件和电池封装为一个整体，以提供生物医 疗装置的生物相容性。在一些示例中，水凝胶可包含保留封装水凝胶的润 湿方面的制剂。因此，与包含部件的外壳相关的生物相容性的多个方面与 作为一个整体的生物医疗装置的生物相容性相关。这些方面可包括，作为一些非限制性示例，透氧性、可润湿性、化学相容性和溶质渗透性。
电池和插入件可与湿润环境相互作用，并且因此电池本身的生物相容 性策略与总体生物医疗装置非常相关。在一些示例中，可以设想，密封件 阻止材料进出插入件和电池装置。在这些示例中，可改变水凝胶封装层的 设计以允许例如插入件和电池装置周围的可润湿性和渗透性。在一些其它 示例中，气体逸出可允许一些气体物质穿过电池装置、穿过水凝胶封装并 进入到生物医疗装置环境中。生物医疗装置的接触用户的流体和细胞层的 部分(无论是对于眼科装置还是对于其它装置)可被设计来匹配生物医疗 装置到生物医疗装置将驻留于其中或其上的生物环境的界面层。
电解质和阴极元件中的锂离子
可将锂盐掺入到电池的电解质和阴极元件中，并有助于电流在各种类 型的阴极和电解质制剂中传输。基于锂的盐可在其中解离的离子溶剂或离 子液体包含氯化1-乙基-3-甲基咪唑鎓(其可被称为EMIM：C1)、1-乙基-3- 甲基咪唑鎓二氰胺和1-丁基-3，5-二甲基吡啶溴化物或其它溶剂(包括碳酸 亚乙酯、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯)作为非限制性示例。一些锂盐(包括 作为非限制性示例的三氟甲基磺酸锂或四氟硼酸锂)可具有在各种溶剂中容易地离子化的能力，并且可包括可用于将锂离子掺入到电解质和阴极元 件中的盐类型的示例。
对含固体聚合物电解质和锂离子的电池的示例性处理
可存在多种形成本文所述掺入锂离子的电池的方法。在以下段落中描 述了非限制性示例，但其它方法也在本文的发明的范围之内。
可配制并混合PVDF：锂盐：离子液体重量％之比大致为50∶10∶40的固体 聚合物电解质溶液。在一些其它示例中，可配制并混合包含PVDF-HFP、 锂盐和离子液体的固体聚合物电解质溶液。在一些示例中，盐可为三氟甲 基磺酸锂或四氟硼酸锂。在一些示例中，离子液体为(EMIM)氯化1-乙基-3- 甲基咪唑鎓。可逐步执行混合，其中可在升高的温度诸如55℃下通过搅拌 和搅动将适当体积的PVDF或PVDF-HFP溶于DMSO中。可在单独的步骤 中将盐溶于一定量的DMSO中。在第一步中溶解PVDF后，可将溶于 DMSO中的盐加入该混合物中。
在另一个示例中，可配制并混合包含PVDF-HFP、锂盐和有机溶剂的 固体聚合物电解质溶液。在一些示例中，盐可为三氟甲基磺酸锂或四氟硼 酸锂。在一些示例中，有机溶剂可包括γ-丁内酯、DMSO和丙二醇碳酸 酯。可逐步执行混合，其中可在升高的温度诸如55℃下通过搅拌和搅动将 适当体积的PVDF-HFP溶于DMSO或合适的溶剂中。可在单独的步骤中将 盐溶于一定量的DMSO或合适的溶剂中。在第一步中溶解PVDF-HFP后， 可将溶于DMSO中的盐加入该混合物中。用于溶解聚合物和盐的有机溶剂 可充当增塑剂以增强离子传导性。
在单独的步骤中混合阴极浆料。可存在可与本发明概念相符的许多阴 极化学制剂。作为非限制性示例，制剂可在石墨混合物中包含电解二氧化 锰。在一个示例中，粉末混合物可通过将电解二氧化锰(EMD)、从特密高 公司(Timcal)商购获得的KS4石墨(TIMCALKS4初级合成石墨 (TIMCALKS4 Primary Synthetic Graphite))以及Super P炭黑和 PVDF以88重量％EMD、2重量％KS4、3重量％Super P和7重量％PVDF 形成。可通过多种方式执行混合，例如通过将粉末压磨较长时间来混合 EMD、Super P和KS4。在一些示例中，可在预混有锂盐的DMSO(如先前 所提及的固体聚合物电解质溶液)中混合所得粉末混合物与PVDF，然后 添加EMIM。
可在真空下用弯掠叶片混合所得组合。在真空下用弯掠叶片混合可允 许设备控制混合速度的变化，同时维持混合容器中的目标真空压力。可在 混合组分时去除挥发性组分，诸如DMSO。可存在许多用于弯掠叶片混合 的条件，诸如各种蒸气压目标和混合容器的温度以及混合持续时间可在较 大程度上变化。在一个示例中，混合可进行大约30分钟。
所得混合物可用于形成经涂覆的阴极。在一个示例中，可用碳预涂覆 钛箔。可通过自动涂膜向经碳涂覆的钛箔施涂阴极浆料，然后在真空下干 燥。可通过刮粉刀涂覆器以可变的叶片高度和速度完成自动涂膜。钛箔基 底的边缘可用涂覆有含氟聚合物的PET膜覆盖，该膜掩盖边缘以免被施涂 阴极浆料。真空板可在施涂过程中将钛膜固定地保持在适当位置。
施涂后可在真空干燥烘箱中干燥膜。DMSO在1个大气压下于189℃ 沸腾，通过降低环境压力可增大蒸发率，同时可降低应用于基底的温度。 将先前提及的混合物置于真空烘箱中于70℃和46托的压力下保持约24小 时可有效干燥该混合物。也可将所得的阴极膜存储于真空下。
干燥阴极膜之后，可将固体聚合物电解质溶液施涂到阴极膜上。可通 过自动化装置用刮粉刀涂覆器施涂该混合物。可在真空烘箱中干燥所得的 涂覆混合物。可从经涂覆的材料组合中切下电池设计的阴极特征结构。可 重新用DMSO湿润阴极特征结构，或者可施涂一些另外的固体聚合物电解 质溶液。接下来可将阳极施用至润湿的材料堆。在一些示例中，阳极可为 与堆叠膜具有相似形状的锌箔片。
阳极、SPE和阴极结构可热密封和/或轧制。在一些示例中，层合电 池。电池结构可夹置在热塑性聚合物层诸如PET膜之间。可在100℃的温 度和15PSI的最小压力下将所得结构热密封2秒。
所得的电池结构可提供能够与生物医疗装置应用兼容的微电池，该微 电池具有优异的电气性能方面。将锂掺入阴极和聚合物电解质区可导致电 荷传输特性的显著改善，这可改善电池的阻抗特性，并且可改善其它电池 特性。
电活性装置和电池的外部封装层
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 材料之外的其他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、酰氨基、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、酰氨基、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，在1和3 个R1之间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、C2-5烯基、C2-5烯基 苯基、C2-5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例子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，自由基反应性基团包括(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为零，一个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]丙基酯(“SiGMA”)、
2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙氧基丙基-三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷、
3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷(“TRIS”)、
3-甲基丙烯酰氧基丙基双(三甲基甲硅烷氧基)甲基硅烷和
3-甲基丙烯酰氧基丙基五甲基二硅氧烷。
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， 并且
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：R5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5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O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)。其他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的化合物(其中x+y为10至30范围内的数 值)。
式X
其他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。
使用聚合物电解质电池的生物医疗装置
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；
聚合物电解质，其中所述聚合物电解质包含离子物质，以及
过渡金属氧化物阴极，其中所述过渡金属氧化物阴极还包含锂盐；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：
其中所述阳极包含锌；
其中所述阳极和所述阳极集流体为单层；并且
其中所述过渡金属氧化物阴极包含锰。
3.根据权利要求2所述的生物医疗装置，其中所述电解质的组成包含聚(偏二氟乙烯)。
4.根据权利要求3所述的生物医疗装置，其中所述电解质的组成包含锌离子。
5.根据权利要求3所述的生物医疗装置，其中所述电解质的组成包含锂离子。
6.根据权利要求5所述的生物医疗装置，其中所述二氧化锰阴极的组成包含电解二氧化锰。
7.根据权利要求5所述的生物医疗装置，其中所述二氧化锰阴极的组成包含聚(偏二氟乙烯)。
8.根据权利要求7所述的生物医疗装置，其中所述二氧化锰阴极的组成包含炭黑。
9.根据权利要求7所述的生物医疗装置，其中所述锌阳极包含锌箔。
10.根据权利要求7所述的生物医疗装置，其中所述锌阳极包含电沉积在钛箔上的锌。
11.根据权利要求7所述的生物医疗装置，其中所述锌阳极包含锌糊剂。
12.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述电池在封装膜中包括密封件，所述封装膜包封不用于进行外部接触的电池部分。
13.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述电池的厚度至少沿所述电池的延伸范围的第一维度小于1mm。
14.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述电池的厚度至少沿所述电池的延伸范围的第一维度小于500微米。
15.根据权利要求1所述的生物医疗装置，其中所述电池的厚度至少沿所述电池的延伸范围的第一维度小于250微米。
16.根据权利要求15所述的生物医疗装置，其中所述电池的形状为曲线状。
17.一种制造电池的方法，所述方法包括：
获得阴极集流体膜，其中所述阴极集流体膜包含钛；
用碳涂层涂覆所述阴极集流体膜；
将过渡金属氧化物浆料沉积在所述碳涂层上，其中所述过渡金属氧化物浆料还包含锂盐；
干燥所述过渡金属氧化物沉积物；
形成包含离子成分的聚合物电解质；
将所述聚合物电解质层合至所述过渡金属氧化物沉积物；
干燥所述聚合物电解质；
将金属箔层合至所述聚合物电解质；
将所述金属箔、所述聚合物电解质、所述过渡金属氧化物沉积物和所述阴极集流体封装在生物相容性封装膜中；以及
从生物相容性封装膜中封装的金属箔、聚合物电解质、过渡金属氧化物沉积物和阴极集流体中分离电池元件。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述过渡金属氧化物包含锰；
其中所述金属箔包含锌；并且
其中所述离子成分包含锌。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述过渡金属氧化物包含锰；
其中所述金属箔包含锌；并且
其中所述离子成分包含锂。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述分离的电池元件具有厚度，所述厚度至少沿所述分离的电池元件的延伸范围的第一维度小于1mm。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述分离的电池元件具有厚度，所述厚度至少沿所述分离的电池元件的延伸范围的第一维度小于500微米。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述分离的电池元件具有厚度，所述厚度至少沿所述分离的电池元件的延伸范围的第一维度小于250微米。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述分离的电池元件的形状为曲线状。
24.一种对生物医疗装置通电的方法，所述方法包括：
获得阴极集流体膜，其中所述阴极接触膜包含钛；
用碳涂层涂覆所述阴极集流体膜；
将二氧化锰浆料沉积在所述碳涂层上，其中所述二氧化锰浆料还包含锂盐；
干燥所述二氧化锰沉积物；
形成包含离子成分的聚合物电解质；
将所述聚合物电解质层合至所述锰沉积物；
干燥所述聚合物电解质；
将锌箔层合至所述聚合物电解质；
将所述锌箔、所述聚合物电解质、所述二氧化锰沉积物和所述阴极集流体封装在第一生物相容性封装层中；
将所述阳极集流体连接至电活性装置；
将所述阴极集流体连接至所述电活性装置；
将所述层状结构和所述电活性装置封装在第二生物相容性封装层中以形成生物医疗装置。
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