CN108736034A - 柔性微电池 - Google Patents

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F.A.弗里特施
Z.坎纳
M.E.穆祖
L.帕格里亚罗
R.B.普格
L.E.维恩斯泰恩
S.彼得森
J.霍瓦斯
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Abstract

本发明题为“柔性微电池”。本发明描述了用于形成微电池的设计、策略和方法。在一些示例中，可使用超声焊接的密封部来密封微电池内的电池化学物质。在另一些示例中，所述微电池被铜膜包封，其中所述铜膜的至少一部分通过化学镀形成。

Description

柔性微电池
相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2017年4月19日的美国临时专利申请No. 62/487,272的权益，并且是提交于2017年1月13日的美国专利申请No. 15/326,161的部分延续，继而也要求提交于2014年7月21日的美国临时申 请No.62/016,851的权益。所述每个专利申请的内容均以引用方式并入本 文。
背景技术
技术领域
本发明整体涉及电化学电池，更具体地涉及生物相容性电化学微电 池。
相关领域的描述
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，通电元件也可优选地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适应生物相容性 的各个方面。因此，需要形成生物相容性电池的创新示例，这种电池可用 于在容量方面有显著改善的生物相容性通电元件。
已经开发出若干微电池，其中一些被设计成植入式的或以其他方式与 需要电源进行操作的医疗装置或其他装置相关联。就本说明书的目的而 言，微电池由其相对较小的尺寸限定。具体地讲，至少一个维度(即，电 池的长度、宽度或厚度)应小于1毫米(1.0mm)，第二维度应小于1厘米 (1.0cm)，而微电池的体积应小于0.003cc(即千分之三立方厘米)。
可以通过增材制造、卷绕电极或拾取活性材料并放置在适当位置来制 备具有这些尺寸的电池。可将这些电池制成多种形状，包括圆柱形、棱柱 形或弓形。将生物相容性材料用于微型电源时，电源为生物相容性的。例 如，具有锌盐电解质、锌负极和二氧化锰正极的碳锌电池可为生物相容性 的。
存在对这样的微电源的需求：为生物相容性的，可用于医疗装置和其 他小型装置，能够通过提供所需的能量来重复或连续操作同时装置在此类 操纵之后被弯曲、被折曲或以其他方式被操纵。
发明内容
因此，公开了用于生物相容性通电元件的改善柔性微电池和设计。用 于眼科医疗装置的微电池可能具有充满挑战性的特有需求，诸如需要机械 稳健性、一定程度的柔性和生物相容性。使用微电池的接触镜片可能要求 电池通过具有长储存期、具有一定程度的柔性并且在经过操纵之后保持完 整性和可操作性来控制镜片的质量。对于从镜片制造开始直至镜片使用寿 命结束的时间段，可能需要微电池为生物相容性的。在该时间段，微电池直接或通过中间层暴露于镜片内的盐水溶液，并且微电池可能不仅需要保 持其容量以及向镜片提供所需的电力，而且还需要充分密封以防止电池组 分浸出。微电池的尺寸使得电池部件的隔离尤其具有挑战性，因为微电池 的表面积对体积的比可非常大。
微电池可在眼科镜片内保存多年，其中镜片包含保存在填充有盐水润 湿溶液的密封封装内的微电池。该保存环境类似于保存在无菌盐水溶液 中，眼科镜片浸没在该无菌盐水溶液中。标准条件下的眼科镜片或其他装 置的该保存条件和环境可能需要微电池的设计能够耐受给定环境，并且不 因水穿过封装侵入微电池内部(也可能导致溶胀)而造成失效。微电池封 装可具有可测量水平的渗透性。因此，可形成渗透压力差，从而可将水引导迁移至微电池内部。通常，常规电池电解质是非水性的并且不耐受湿气 污染，或者是高度浓缩的酸性溶液(例如氯化锌)或碱性溶液(诸如氢氧 化钾)。使用具有低盐浓度的电解质可为降低电解质与包围包含微电池的 镜片的润湿溶液之间的渗透压力差的可能解决方案。
与生物相容性和渗透压力相关的另一个问题是电解质的pH。通常，水 性电池电解质可以不是生物相容性的。在典型的碱性电池中，氢氧化钾电 解质为强碱性的以增强离子传导性。在碳锌或勒克朗谢电池中，电解质的 酸性pH可强烈影响锌表面上的氢气生成。强酸性或强碱性电解质不是生物 相容性的。许多典型的抗蚀剂诸如汞也不是生物相容性的。
许多微电池尤其是大量生产的或需要生物相容性的微电池被封入刚性 外壳。其刚度通常不允许将此类电池用于柔性装置。另外，刚性壳体设计 限制了电池的可能尺寸，因为需要最小壳体厚度来保持刚度。
采用导电迹线的电池需要柔性迹线和在其上支撑迹线的柔性基底两 者。在与氧化电池环境相容的材料中不存在此类柔性。而现有技术电池通 常被构造成在制造之后一般是不可移动的。电池的移动可不利地影响连接 和外部密封，并以其他方式影响电池的正确操作。
一个一般的方面包括具有电活性部件、生物相容性电池和第一封装层 的生物医疗装置。第一封装层封装至少电活性部件和生物相容性电池。在 一些示例中，第一封装层可用于限定接触镜片的裙边，从而用与使用者眼 睛表面相互作用的生物相容性水凝胶层来围绕电活性镜片的内部部件。在 一些示例中，电解质溶液的性质改善了生物医疗装置的生物相容性。例 如，电解质溶液的组合物可具有比典型电池组合物低的电解质浓度。在其他示例中，电解质的组合物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组合物。
根据本发明的一个方面，提供一种具有生物相容性部件的电化学微电 池，该微电池包括可为圆柱形且沿第一矢量延伸的阳极和大致为平面且沿 第二矢量延伸的阴极。第二矢量通常平行于所述第一矢量，并且阴极被设 置成距离阳极预定空间。阴极集流体与阴极电接触并且沿第二矢量延伸。 在一个方面，阴极集流体定位于阴极内。电化学微电池还可包括通常围绕 阳极和阴极两者定位并且定位于预定空间内的电解质，以在阳极与阴极之 间提供离子传导性。
在一个方面，电化学电池还可包括阳极集流体，其中阳极和阳极集流 体以电连通形式接合。阳极和阳极集流体被定位成沿第一叠堆排布结构中 的第一矢量延伸，阴极和所述阴极集流体以电连通形式接合并且被定位成 沿第二叠堆排布结构中的第二矢量延伸。第一叠堆排布结构和第二叠堆排 布结构相对于彼此隔开预定空间。分隔件可定位于预定空间内的第一叠堆 排布结构与第二叠堆排布结构之间。
封装可通常围绕阳极、阴极、阴极集流体和电解质。阳极的终端可沿 第一矢量延伸穿过封装，阴极集流体也可沿第二矢量延伸穿过封装。封装 可具有大致均匀的厚度。封装可为定制的并且可容纳三个维度均形成期望 形状的电化学电池单元。封装可防止水和氧气穿过所述封装迁移。在一个 方面，封装可包括涂覆有金属氧化物的聚合物。封装的水蒸气传输速率可 小于1g/m2-天，测量条件为85％至100％之间的相对湿度和20℃至40℃之间的温度。因此，如果电化学微电池的体积等于或小于三立方毫米 (3.0mm3)，具有的内部空间被生物相容性封装包封，并且在一个方面被定 位成与体液或人工体液(诸如盐水溶液)离子连通，则封装可用于抑制内 部空间与体液或盐水溶液之间的质量转移。
电化学微电池可在全部三个维度上成型。在一些示例中，电化学微电 池可包括平面形状以及其中第一矢量和第二矢量均为弓形并且其中第一矢 量和第二矢量彼此同心的形状。
电化学微电池还可包括由锌制成的阳极。在本发明的一个方面，阳极 可为锌丝。本发明的阴极包含二氧化锰、导电添加剂材料和粘结剂。阴极 集流体可包括丝形金属诸如钛，并且可与阴极相邻或另选地定位于阴极 内。在阴极集流体定位于阴极内的实施方案中，阳极的直径可等于阴极的 厚度，使得电化学电池的厚度等于阳极直径加上封装厚度。
微电池的第一电化学单元可作为单个单元操作或者连接到串联或平行 于第一电化学单元的第二电化学单元。在串联实施方案中，第一电化学单 元的阳极可电连接到第二电化学单元的阴极集流体。该电化学单元的阳极 可焊接到第二电化学单元的阴极集流体以形成机械上固定和电连通的连 接。微电池单元可独立封装，或者第一电化学单元的封装和第二电化学单 元的封装可接合在一起以形成连续封装。在一个方面，当所述第二电化学单元串联连接到所述电化学单元时，该电化学单元的阳极电连接到所述第 二电化学单元的阴极集流体，并且该电化学单元的封装和第二电化学单元 的封装接合在一起以形成连续封装。在其中电化学单元的阳极还包括与该 电化学单元的阳极电连通的阳极集流体的一个方面，阳极集流体伸出该电 化学单元并伸入第二电化学单元，并且其中阳极集流体电连接到第二电化 学单元的阴极，并且其中该电化学单元的封装和第二电化学单元的封装接 合在一起以形成连续封装。
在一个方面，电化学电池的体积可等于或小于三立方毫米(3.0mm3)。 阳极可具有沿第一矢量延伸的长度以及垂直于所述第一矢量延伸的宽度和 厚度，其中宽度大于厚度，并且长度对宽度的比大于二十比一(20∶1)。阴极 可具有沿第二矢量延伸的长度以及垂直于第二矢量延伸的宽度和厚度，其 中宽度大于所述厚度，并且长度对宽度的比大于十比一(10：1)。
在一个方面，微电池的内部空间可包括水性中性电解质溶液，诸如乙 酸锌。电解质中的乙酸锌浓度可小于所述电解质的百分之十重量(10重 量％)。电解质的pH可介于6和8之间，其中封装被定位成与盐水溶液离 子连通，电解质的渗透压力相对于盐水溶液的渗透压力之间的差值小于十 个大气压(10atm)。阳极可包含锌，阴极可包含二氧化锰。阳极集流体和阴 极集流体可各自包括钛、钽或铂或其他导电的柔性生物相容性材料。阳极 可包括锌粉和锌制品(诸如延伸电池长度的锌箔)两者，其中锌粉与锌制 品电连通。
微电池可根据包括以下步骤的方法构造：形成具有一定长度和厚度的 阴极，其中长度对厚度的比等于或大于50∶1；将阴极附接到延伸阴极长度 的阴极集流体以形成阴极组件；形成具有一定长度和厚度的阳极，其中长 度对厚度的比等于或大于50∶1；在阳极和阴极组件两者周围分配水性电解 质以使得阴极与阳极之间能够离子连通；以及将阴极组件、电解质和阳极 置于热塑性封装的第一部分和第二部分内。第一部分和第二部分可包封电 解质的全部、阴极组件的一部分和阳极的一部分，以形成由电池内部的侧 限定的电池内部，此外还使得阴极组件和阳极的端部能够在微电池的第一 端部和第二端部处均伸出电池内部；通过将封装的第一部分和第二部分沿 电池内侧的长度加热来密封电池内部，并且通过围绕延伸的阳极和阴极组 件密封封装来在微电池的第一端部和第二端部处密封电池内部；以及从密 封的微电池中取出封装。在该方法的一个方面，可将封装的第一部分和第 二部分放置在超声焊机内，超声焊机可围绕电池内部密封封装的第一部分 和第二部分，具体方式为在一个步骤中密封封装并在密封处切割封装。在 一个方面，可在阳极与阴极之间插入分隔件。在另一个方面，阳极附接到 阳极集流体，并且阳极集流体被定位成在微电池的第一端部和第二端部处 均伸出电池内部。
本领域的技术人员通过参考以下说明书、权利要求和附图，将进一步 理解和体会本发明的这些和其他特征、优点和目标。
附图说明
图1为沿矢量L(长度)的法线截取的电化学电池单元的示例性剖视 图；
图2为沿与矢量H(高度)正交的平面截取的电化学电池单元的示例 性剖视图；
图3为本发明的电化学电池单元的示例性横截面代表视图；
图4为电化学电池单元的示例性透视图，其中封装部分被分解；
图5a为根据一个实施方案的电化学电池单元的封装部分的示例性透视 图；
图5b为根据另一个实施方案的电化学电池单元的封装部分的示例性透 视图；
图6为设置在超声焊接夹具中的本发明电化学电池单元的示例性剖视 图，示出了密封外部封装的方法；
图7为成型电池封装的示例性剖视图，示出了呈弓形的两个串联单 元；
图8为成型电池封装的示例性剖视图，示出了呈弓形的两个串联单 元，并且突出显示了单元的电连接方式；
图9为图8中所示的成型电池封装的两个单元之间的电连接的示例性 放大横截面；
图10为电化学电池单元的示例性分解图，示出了呈弓形的两个串联单 元以及用于密封单元封装的激光焊接束；
图11A为是用于在例示性示例中制备本发明的基底的示例性透视图；
图11B为如例示性示例中所述的本发明的阴极和阴极集流体组件的中 间形式的示例性透视图；
图11C为如例示性示例中所述的本发明的阴极和阴极集流体组件的示 例性透视图；并且
图11D为如例示性示例中所述那样以基底进行制备的本发明的示例性 透视图。
图12A-12C示出了微电池单元中的储水特征结构的示例。
具体实施方式
本专利申请公开了形成具有改善生物相容性的柔性微电池的方法。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，示例不限制本申请的范围。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附近使用。
术语
在下文的说明和权利要求书中，可用到各种术语，它们将应用以下定 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，“电池”是指由单个电化学单元或多个以适当方式连接 在一起的电化学单元组成以提供所需电压或电流的电化学电源。“单元” 可为主要单元(不可再充电)或辅助单元(可再充电)。
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。在一些示例中，粘结剂可指将颗粒和/或颗粒与液 体保持在一起成为内聚团块的物质。
本文所用的“生物相容性”是指在具体的应用中以合适的宿主响应执 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”是指电流通过其流出极化电气装置的电极。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，“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。电池可由碱性单元化学物质形成，并且可为固态电池或湿单元电 池，包括水性碱性、水性酸性或水性盐电解质化学物质或非水性化学物 质、熔融盐化学物质或固态化学物质。电池可为干电池单元(固定的电解 质)或湿电池单元(游离的液体电解质)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件。通常，填料可包括基本上水不溶性的材料，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、锌和锡和金属氧化物和氢氧化物；金属碳酸盐，诸如钙和镁的那 些；矿物质，诸如云母、蒙脱石、高岭土、绿坡缕石和滑石；合成和天然 的沸石，诸如卜特兰水泥；沉淀的金属硅酸盐，诸如硅酸钙；中空或实心 的聚合物或玻璃微球、薄片和纤维；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引导电子流入和流 出电化学单元的阴极或阳极。
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。
参见图1和图2，示出了根据一个实施方案的示例性电化学电池单元 100的两个不同横截面表示。图1为沿与矢量L(长度)正交的平面截取的 横截面表示，图2为沿与矢量H(高度)正交的平面截取的横截面表示。
电化学电池单元包括沿电化学电池单元的长度延伸并且充当负极的圆 柱体阳极110。更具体地讲，阳极110沿平行于图2所示长度矢量L的矢量 延伸。在该实施方案中，阳极110的形状为大致圆柱体并且横截面为圆 形。阳极110的直径足够小并且其长宽比(长度对宽度的比)足够大以使 得阳极110能够具有柔性。直径的大小可足够大，以适应不存在任何集流 体的情况。当电化学电池单元放电时，来自阳极的反应性材料可发生电化 学反应并进入溶液中。当阳极活性材料离开阳极时，阳极的表面可出现凹 点或以其他方式变化，从而可实现直径总体减小。剩余的阳极材料可保持 连续以保持其整个长度仍能够充当阳极集流体，并且因此能够从电化学电 池单元的阳极传导出电子。
如可能在下文再次详述的那样，在一些示例中，阳极110定位于该实 施方案中的电化学电池单元与外部第一封装部分和第二封装部分140和150 相邻的一面上。第一封装部分140和第二封装部分150相对于彼此设置以 形成单元内部160。封装部分由可粘合或以其他方式密封到自身的材料制 成。封装部分材料还可为柔性的并且能够包封位于单元内部160内的所有 部件。
在一些示例中，电化学电池单元还包括也沿电化学电池单元的长度延 伸并且充当正极的阴极120。更具体地讲，阴极120沿平行于图2所示长度 矢量L的矢量延伸。在该实施方案中，阴极120为大致平面的并且横截面 为矩形。可将阴极定位成与阴极集流体130电接触，在该实施方案中，阴 极可附接到阴极集流体130。将阴极120涂覆到柔性导电集流体130上的这 种布置提供可在电化学电池单元100被扭曲、弯曲或以其他方式折弯时保 持连贯的柔性阴极构造。随着电化学电池单元电化学放电，来自阴极120 的反应性材料可发生电化学反应并可能膨胀。可将阴极设计成能够适应此 类膨胀，具体方式为将阴极制成具有适当的孔隙率以及由适应任何此类膨 胀的适当成分制成阴极。此类适应可使得阴极120能够保持与阴极集流体 130的粘附性并且以其他方式保持连贯。
所示的阴极120和阴极集流体130定位在并支撑在第二封装部分150 上并且处于与单元内部160内的阳极110相对的位置处。尽管图1和图2所 示的阳极110和阴极120的尺寸不一定按比例绘制，但阳极和阴极的相对 位置间隔开预定空间170。单元内部内的预定空间的尺寸对于确保阳极和阴 极不直接接触彼此以免导致电池短路是非常重要的。尺寸也不可太大，以 防止与电化学电池单元的倍率性能直接相关的高效离子电荷扩散。虽然在另选的实施方案中可使用可透过膜的电池分隔件，但本实施方案的单元构 造避免了需要增加制造复杂性和增加此类部件的成本。
阴极120和阳极110可经由被定位成使得阳极和阴极均与电解质材料 离子连通的电解质180进行离子连通。电解质180可允许阳极110与阴极 120之间的电荷流动。电解质180可为液体、凝胶或半固体，它们具有柔 性，并且能够在单元内部160内移动的同时执行在阳极110与阴极120之 间提供离子扩散的任务。
由电化学电池单元100生成的电子可经由阳极集流体插片190从单元 传导。该阳极集流体插片190可附连到阳极110的端部以与阳极110电连 通。阳极集流体插片190提供阳极110的适当形状延伸，使得单元内部160 可通过阳极110和阴极120均与单元内部160的外部以及第一封装部分和 第二封装部分140和150两者电连通得以适当密封。图1和图2中所示的阳 极集流体插片190的位置在阳极110和第一封装部分140之间。可以看 出，这种定位可对电化学电池单元100增加高度或突起，并且可优选替代 位置以避免增大这些尺寸。阳极集流体插片190相对于其可连接到装置上 的物体成型。该形状可由本领域的技术人员选择，以在阳极插片与装置之 间形成电安全连接。
虽然未在图1和图2的实施方案中示出，但阳极集流体插片190和阴 极集流体130均可延伸超过阳极110和阴极120的相应端。阳极集流体插 片190和阴极集流体130的这些延伸部分能够更有效地密封单元内部160。 第一封装部分和第二封装部分140和150均可彼此密封以从外部或电化学 电池单元100密封单元内部160，并且围绕延伸经密封的第一封装部分和第 二封装部分140和150的外部的阳极集流体插片190和阴极集流体130密 封。这样，阳极集流体插片190变成电化学电池单元100的负极外部触 点，阴极集流体130变成该电化学电池单元的正极外接触点。
在操作中，当负载(未示出)电连接到阳极集流体插片190和阴极集 流体130两者以形成电路时，阳极110经由阳极集流体插片190将电子释 放到负极外部触点并且同时将离子释放到电解质180中。阴极120接受通 过正极外接触点和阴极集流体130流过电路的电子，并且发生电化学反应 以平衡电化学电池单元的化学势。电化学电池单元100的当前排布结构在 扭转、在被弯曲或以其他方式操纵时可有效地操作。
图1和图2所示的电化学电池单元100可与图3所示的相同单元以电 和机械方式串联耦合。在图3中，示出了第一电化学电池单元200及其相 应的负极端部201。第一电化学电池单元200具有阳极210、阴极220和阳 极集流体插片290。图3还示出了第二电化学电池单元300及其正极端部 301。第二电化学电池单元也具有阳极310、阴极320和阴极集流体330。如图3所示，第一电化学电池单元200的阳极集流体插片290在连接点399 处连接到第二电化学电池单元300的阴极集流体330。该机械和电耦合排布 结构形成具有两个串联电化学电池单元的多单元电池以提供每个单独单元 的两倍有效电压。可使用另选的耦合排布结构来使用两个或更多个单元形 成平行的和其他多单元电池。
相应的封装部分240和340以及250和350被示出为接合在一起以形 成连续外表面或可被制造为单个封装部分。然而，如可更详细地描述的那 样，相应的单元内部260和360优选地分离。在图4中，示出了两个串联 电池400的另选视图。第一电化学电池单元401电耦合和机械耦合到第二 电化学电池单元402。第一电化学电池单元401和第二电化学电池单元402 均具有相应的阳极410和411以及相应的阴极420和421。每个阴极与阴极 集流体相关联并且电耦合到其上，第一电化学电池单元的阴极420与第一 电化学电池单元的阴极集流体430相关联，第二电化学电池单元的阴极421 同样与第二电化学电池单元的阴极集流体(未示出)相关联。第二电化学 电池单元的阳极411与第二电化学电池单元的阳极集流体插片490以电和 机械方式相关联，该阳极集流体插片在连接点499处与第一电化学电池单元的阴极集流体430也以电和机械方式相关联。
两个串联电化学单元在阴极侧被延伸两个串联电池的长度但终止于第 一端部403处的第一封装部分440围绕，以使得第二电化学电池单元的阴 极集流体悬伸第一封装部分。在第二端部404处，第一封装部分类似地终 止，以使得第一电化学电池单元的阳极集流体插片491延伸超过第二端 部。第二封装部分450与第一封装部分440具有类似的长度和宽度，其被 定位成与两个串联电池的阳极侧相邻，单元内部460可通过以下方式密 封：使第一封装部分440和第二封装部分粘合结合；或通过焊接，其中焊 接方式允许第二电化学电池单元的阴极集流体和第一电化学电池的单元阳 极集流体插片均延伸超过封装部分，以使得它们能够与外部负载(未示 出)电连通。
可能优选的是将单元内部460分隔成与每个电化学电池单元相关联的 单个单元内部。这可通过提供与连接点499相邻的分隔件来实现。参见图 5a，其示出了可用于提供该实施方案的单元内部分隔的封装部分500。封装 部分500包括可在封装部分上的分隔点520处附连到该封装部分的分隔件 510。分隔件510可被配置成充当两个串联电化学电池单元之间的围堤，以 防止单元之间的离子传导和对流流动。分隔件510可激光焊接到封装部分，随后在封装部分500经由激光焊接或另选的连接方法相对于第二封装 部分密封时再次激光焊接。在另选的实施方案中，分隔件可经由另选的接 合方法诸如超声焊接或热焊接方法附接。
在图5b中，示出了提供单元内部分隔的另选实施方案。封装部分550 包括位于该封装部分上的分隔点570处的分隔件560。分隔件560可经由粘 合剂并且更优选地经由UV固化的粘合剂固定到该封装部分和第二封装部 分。第一封装部分和第二封装部分可在其周边处相对于彼此密封并且分隔 件560粘接固定到两个封装部分以提供单元内部的分隔。
在图6中，示出了电化学电池单元600的另选实施方案的剖视图。在 该实施方案中，电化学电池单元600具有圆柱形的电化学电池单元阴极集 流体630，其示出为定位在电化学电池单元阴极620与第一封装部分之间。 虽然未示出，但电化学电池单元的阴极集流体可另选地全部设置在或部分 设置在阴极620内。阳极610位于单元内部660内，并且距阴极620预定距 离670。单元内部填充有电解质(未示出)，以在阳极和阴极电极之间提供 所需的离子传导性。
在图6中，描述了用于将第一封装部分640和第二封装部分650两者 沿其相应的周边接合的方法。可将电化学电池单元600置于超声焊接夹具 内，该夹具以围绕电化学电池单元600的一部分的横截面代表性地示出。 超声焊接夹具包括超声焊接变幅杆691和超声焊接砧座692两者。将电化 学电池单元600置于夹具内，并且使超声焊接变幅杆691在希望焊接的位 置处接触第一封装部分640。在该实施方案中，在电化学电池单元601的阳 极侧和电化学电池单元602的阴极侧都需要焊接。由夹具施加于电化学电 池单元的受控压力将第一封装部分640和第二封装部分650接合在一起。 超声变幅杆以适合材料的频率和期望的振幅振动焊接第一封装部分和第二 封装部分所需的预定时间长度。受控压力可保持第二预定时间以允许封装 部分熔合。
现有技术的塑料超声焊接通过很大程度上垂直于待接合物体的平面的 超声变幅杆的运动发生(对于侧面密封，沿图2中所示的矢量H)，因此 这可导致不利的较宽接合部。在一些示例中，当超声变幅杆的运动与侧面 密封很大程度上处于相同的平面(对于线性侧面密封，为沿图2所示的矢 量L延伸的平面)上时，可实现相对较窄的密封部。变幅杆运动的矢量与 被密封的封装的边缘处于相同的平面上。对于非线性侧缝(例如弓形侧 缝)，变幅杆相对于侧缝的运动可在沿侧缝的不同位置处变化，但可保持 在与被焊接的封装相同的平面上。
多余的封装可在端部693和694处以机械方式修剪，例如通过激光切 割、超声切割、模具打浇口或水射流切割，使得移除焊接外部的封装部 分。或者，可延长超声焊接时间以在密封封装部分同时切割密封的端部693 和694。一旦沿周边焊接封装部分从而密封电化学电池单元，即移除第二受 控压力并回缩超声变幅杆。通过该接合方法，可连续密封许多电化学电池 单元。
本发明的电化学电池单元构型不限于线性的平面构造，而是可根据各 种实施方案构造成多种形状和尺寸。电化学电池单元的部件以及封装可用 于将电化学电池单元成型为其期望的形状。
在图7中，示出了呈弓形的电化学电池单元1000。在该实施方案中， 两个电化学电池单元串联连接。第一电化学电池单元1001在连接点1099 处电连接和机械连接到第二电化学电池单元1002。第一电化学电池单元和 第二电化学电池单元均显示为靠在第一封装部分1040上。虽然未示出，但 第二封装部分与第一封装部分相关联以形成用于电化学电池单元的连续外 部封装外部。
第一电化学电池单元1001包括阳极1010和阴极1020。阴极被定位成 与第一电化学电池单元的阴极集流体1030电连通。第二电化学电池单元 1002类似地包括阳极1011和阴极1021。阴极1021被定位成与第二电化学 电池单元的阴极集流体1031相邻并电连通。阳极1010和1011均具有电连 接和机械连接到阳极端部以传导电子的相关联的阳极集流体插片。
在连接点1099处，示出了第一电化学电池单元的阳极集流体插片 1090与第二电化学电池单元的阴极集流体1031之间的电连接和机械连接。 该连接可为焊接连接，或另选地被制成使得电可在第一电化学电池单元和 第二电化学电池单元两者之间流动，并且使得其提供强度量度使得电化学 电池单元1000固定在期望的形状。
电化学电池单元的这些部件中的每一个沿平行的弓形路径或矢量延 伸。例如，阳极1010和阳极1011沿长度大约为电化学电池单元1000的长 度的弓形矢量延伸。阴极1020和阴极1021沿平行于阳极矢量延伸的单独 弓形矢量延伸。电化学电池单元1000可被构造成所示的平面C形状或可为 非平面的弓形形状，诸如截头圆锥形，或者可成型为围绕球形段诸如接触 镜片主体中的球形段延伸。形状可通过部件的刚度来保持，或者另选地通 过包括位于电化学电池单元内但不是电化学反应的活性组分的结构部分来 保持。例如，可将冲切的钛箔放置在单元内部并且位于第一封装部分与第 二封装部分的中间。该箔结构部分将起到保持期望的电化学电池单元形状 的作用，同时不显著增大电化学电池单元的非活性体积。
在图8中，示出了电化学电池单元1100的另选实施方案的俯视剖视 图。在该实施方案中，电化学电池单元1100具有圆柱形的电化学电池单元 阴极集流体1130和1131，其示出为定位在电化学电池单元阴极1120和 1121与封装部分(未示出)之间。虽然未示出，但电化学电池单元的阴极 集流体可另选地设置在或部分设置在阴极1120和1121内。金属丝形成的 阴极集流体与金属丝形成的阳极的组合提供结构刚性，从而不再需要任何 非活性结构部分。包括电化学电池单元1100的两个电化学电池单元1101 和1102在连接点1199处电连接和机械连接。
金属丝形成的第一电化学电池单元阳极1110和第二电化学电池单元阴 极集流体1131可通过超声焊接接合，如图9所示。压缩力将第一电化学电 池单元阳极1110和第二电化学电池单元阴极集流体1131保持在一起，同 时代表性地示出的超声焊接夹具1198用于焊接这两个金属丝形成的部件以 形成机械连接的接合部1197。或者，可使用另一接合技术的电阻焊接形成 接合部1197，以形成电连通和机械坚固的接合部。用于封装电化学电池单元的另一种接合方法为激光束焊接。
在图10中，示出的电化学电池单元1100与已形成的机械连接接合部 1197和形成的分隔件1196组装在一起，以分隔第一电化学电池单元和第二 电化学电池单元的单元内部。大小相等的第一封装部分和第二封装部分 1140和1141被放置成与其周边对齐并被压缩，以沿封装部分的整个周边形 成受压的周边。这可在夹具中实现，同时或顺序地使用移动的夹头或夹具 来形成受压的周边。在周边被压缩的同时，激光焊接束可沿电化学电池单元经过(在矢量W 1194所示的方向上)，并且通过熔融随后在重新凝固过 程中来焊接经过激光焊接束的压缩周边。激光器每秒击发许多加热脉冲， 从而形成沿封装部分周边形成焊缝的单独重叠点焊。为了不导致局部加热 单元内部、电池部件和电解质，选择了合适的激光波长。对于聚丙烯封装 材料，800nm的激光是优选的。
图8中电化学电池单元1100的另一个实施方案可通过另选的阳极构造 来描述。在该实施方案中，包括电化学电池单元1100的两个电化学电池单 元1101和1102通过共用公用部件而电连接和机械连接。阳极1110和1111 各自还包括导电的阳极集流体。然后将活性阳极材料设置在每个阳极集流 体上或与每个阳极集流体相邻以实现电连通，同时保持与阳极集流体的物 理接触。此类阳极集流体的使用使得它也可用作邻接单元中的阴极集流体。例如，第一电化学电池单元1101的电化学电池单元阳极集流体(未示 出)可延伸至第二电化学电池单元中并用作第二电化学电池单元的阴极集 流体1131。通过使用该公用单元部件，可在不需要任何焊接或接合的情况 下电连接和机械连接第一电化学电池单元1101和第二电化学电池单元 1102。
实施例
本文所述的组合物和方法以及其制备和使用方式在以下实施例中举例 说明。
实施例1
基底制备
将聚碳酸酯块切割成节段。在块2000的表面上铣出第一狭槽和第二狭 槽2010，2011(各自为约0.325英寸长×0.008英寸深×0.0393英寸宽)，如 图11A所示。然后在第一狭槽和第二狭槽2010和2011的中间切出通道 2020(宽度介于0.007英寸和0.01英寸之间)，从而将两个较大狭槽串联 连接。每个完成的狭槽用于容纳电池单元。
阴极制备
可用包含如下材料的组合物制备阴极片：10重量％的炭黑(例如购自 Soltex，Houston，Texas的ACE Black AB100)，83重量％至85重量％的电 解二氧化锰细粉(例如购自Tronox of Stamford，Connecticut)，以及5重 量％至7重量％的PTFE余量(例如，PTFE在水中的60重量％分散体，可 以购自Dupont Polymers(Wilmington，Delaware)的TE3859获得，批量中的 固体＞60.6％，润湿剂＞5.7％)。该片的制备方式为：将炭黒和二氧化锰在混合容器中组合，并在Thinky搅拌器(型号为ARM-310，购自Thinky of Laguna Hills，Califomia)中以1,000RPM的转速混合3分钟。然后以每克二 氧化锰约1.05克去离子水将二者添加到混合容器中，再次以1,000RPM的 转速混合3分钟。然后加入PTFE并在搅拌器中以200RPM的转速混合以分 散PTFE，然后以1,500RPM的转速混合以原纤化PTFE，从而形成内聚团 块。
捏合所得的内聚团块，直至粘度增大到致使材料硬度增大并且材料为 可成型的程度。将由耐热聚合物外层、内部铝箔芯和可热密封聚合物内层 组成的电池封装层合体(例如，可购自Ultra Flex Corporation，Brooklyn， New York的封装)切割成片，然后纵向对折，耐热层朝外。该封装包括位 于一面上的0.001英寸聚乙烯可热密封层、位于另一面上的48gauge (0.0005英寸)PET膜，以及位于这两者之间的0.000316英寸铝箔层。弄碎 内聚团块的各片并放置在纵向折叠封装的内部。使用珠宝商用磨机轧制内 聚团块；将材料周期性地折叠回自身上以增强原纤化和粘合，有时材料在 相对于封装的位置旋转90度以避免其溢出到边缘上。以此方式由阴极混合 物制备约150微米厚的片。将该片从封装材料中取出，置于称量舟皿上， 在室温下风干几小时。最后在60℃下将片干燥几小时至过夜。
电解质配制
首先使用1.9M NH4C1和0.63M CaCl2在去离子水中的混合物来制备 电解质。
然后按如下方式制备凝胶电解质：将一定量的电解质添加到具有搅拌 棒的烧杯中。盖住该烧杯以防止蒸发，在搅拌热板上加热并搅拌直至沸 腾。然后加入去离子水以置换通过称重确定的蒸发的水。将足够的琼脂添 加到烧杯中，以形成包含97重量％电解质和3％重量琼脂的混合物。将含 琼脂的电解质在热板上搅拌直至琼脂溶解，然后加入去离子水以置换蒸发 的水。然后搅拌混合物并使其冷却至室温，从而形成柔软的浑浊凝胶。
阳极
获得商用纯锌丝(例如，可购自California Fine Wire of Grover Beach，Califomia的0.006英寸99.95％纯锌丝)。
阴极集流体组装工序
使用刀片将约150μm厚的阴极材料段切割成约7mm长的阴极材料条 带。然后将这些条带切割成最宽为3mm左右(但至少600μm宽)的较薄 条带。从辊上切下较短长度(约2em至10cm)的0.002寸直径钛丝(例 如，0.050mm 99.8％纯硬回火钛丝，可购自Goodfellow ofCoraopolis， Pennsylvania)，并且将其端部附接到具有环氧树脂小点的塑料称量舟皿，从而让其固化。阴极的组件示于图11B中。将阴极条带2040置于一端 2051用胶粘住的丝2050的下方，并且丝在条带上方保持绷紧。当丝保持绷 紧时，导电胶涂层(例如，被制备成包含聚合物粘合剂和石墨薄片，例如 可购自Timcal of Westlake，Ohio的TIMCAL E LB1020)。在将导电涂层干 燥到足以将丝2050保持在阴极片2040的表面上之后，释放丝的绷紧的一 端。在空气中干燥涂层几小时之后，使用刀片从组件的一端2051切割丝， 丝的另一端被修剪成更短长度，并且将阴极条带2040切割成400至800μm 之间的宽度，参见图11C。
电池单元组装工序
使用导电涂层/胶将阴极集流体组件胶合到塑料基底2000上，如图 11D所示。将阴极集流体组件2030设置在适当位置，金属丝面向下方，使 得稍后能够润湿阴极条带2040。首先在狭槽2010的端部2012处附接阴极 集流体组件2030；然后远离该狭槽的壁弯曲阴极集流体组件2030，沿壁施 用更多导电胶，并且阴极集流体组件2030被压贴在该狭槽的壁上。如果存 在多余的阴极材料，将妨碍在稍后插入的锌丝2060与阴极之间出现间隙， 因此移除多余的材料。切割成约1.5cm长的锌丝并拉直。将该锌丝置于狭 槽2010中并伸出单元的开口端；施加少量环氧树脂以将锌丝保持在适当位 置。然后横跨狭槽的通道开口施加环氧树脂，并且将聚酰亚胺胶带(例如 Kapton牌胶带)置于狭槽的开口上方直至环氧树脂固化。此时，移除聚酰 亚胺胶带。然后施加电解质以覆盖狭槽并使其浸入阴极。然后使用吸收纸 擦拭物从狭槽和围绕狭槽的基底区域去除所有电解质，阴极内吸收的电解 质除外。然后加入胶凝化的电解质来填充狭槽。将一片聚酰亚胺胶带(例 如Kapton牌胶带)置于包括末端的狭槽的顶部上方；该胶带通常端到端延 伸，两个电池单元竖直保持在适当位置。
然后使用两部分环氧树脂覆盖聚酰亚胺胶带的顶部上方，并且还覆盖 其中金属丝离开狭槽的块的末端。环氧树脂固化之后，聚碳酸酯基底即固 定。然后使用有平滑钳口的鳄鱼夹夹到来自电池单元的金属丝(钛丝和锌 丝)上，注意不要使电池单元短路。在夹之间放置绝缘体以防止夹接触。 在环氧树脂胶凝化之后但在其完全硬化之前移除绝缘体。使用普通电池测 试设备测试电池单元。
表1为如实施例1中所述制备的电化学电池单元的性能和一般描述。
表1
实施例2
锌粉阳极
制备使用锌作为结合粉末的阳极。用以下材料制备锌粉(例如，可得 自Umicore，Belgium的EEF级)：将PTFE(得自TE3859分散体)用作粘 结剂，将乙炔黑(AB100％)用作导电填料，组成物为5重量％的乙炔黑、5 重量％的PTFE和90重量％的锌。使用塑料刮刀将20克锌与1.11克乙炔黒 手动混合，以形成视觉上均匀的混合物。然后使用Thinky ARM-310搅拌器 将该混合物以1000RPM的转速与9克去离子水混合三分钟。然后，将1.85 克60％PTFE(TE3859)分散体添加到混合物中，以200RPM的转速混合三分 钟以分散，然后以1000RPM的转速混合三分钟至原纤化以形成内聚团块。 然后在电池封装件(得自Ultra FlexCorporation，Brooklyn，New York)之间 捏合并轧制该内聚团块。该封装包括位于一面上的0.001英寸聚乙烯可热密 封层、位于另一面上的48gauge(0.0005英寸)PET膜，以及位于这两者之 间的0.000316英寸铝箔层。与阴极片的制备一样，该层合体的片被切割并 纵向对折，耐热层朝外。弄碎内聚团块的各片并放置在纵向折叠封装的内 部上。使用珠宝商用磨机轧制内聚团块；将材料周期性地折叠回自身上以 增强原纤化和粘合，有时材料在相对于封装的位置旋转90度以避免其溢出 到边缘上。以此方式由阴极混合物制备约150微米厚的片。将该片从封装 材料中取出，置于称量舟皿上，在室温下风干几小时。最后在60℃下将片 干燥几小时至过夜。
切出约300微米宽×150微米厚×7-8毫米长的阳极材料条带，然后使用 导电胶(Timcal E-LB 1020)将该条带附接到50微米的钛丝集流体(例如得自 Goodfellow，Coraopolis Pennsylvania)，如对阴极所做的那样。
如实施例1中所述的那样制备由10重量％的乙炔黒(AB 100)、5重量％ 的PTFE(得自TE3859分散体)和85重量％的Mn02细粉(Tronox)组成的 阴极片。从该片上切出约10mm宽×150μm厚的材料条带。切出钛箔片并施 加透明胶带以留下约7mm宽的裸箔条。然后用导电胶涂覆该箔，并且在胶 仍然润湿时按压阴极片条带。在60℃下干燥约两小时至过夜之后，从烘箱 中取出该箔，然后切割成条带并插入实验用夹持器；这些附接有阴极的条 带充当反电极。实验用样品夹持器将一片锌箔用作准参考电极，附接到 50μ钛丝的结合锌片用作工作电极，附接有阴极片的钛箔为反电极。全部三 个电极都在玻璃小瓶中，该小瓶包含去离子水电解质中的1.9M NH4C1和 0.63M CaCl2。对三个样品执行测试，包括30秒的交流开路周期(对工作 电极施加5、10和100μA的脉冲)，接着是30秒的开路周期。采取由 100μA脉冲的开始和结束处的电压降确定的电阻平均值作为每个电极的内 阻。三个样品的电阻为101Ω、183Ω和145Ω。
实施例3
密封的微电池构造
形成单元部件：
在该实施例中组装的微电池的单元部件通过表2中的尺寸和其他物理 特性进一步描述。
表2
微电池尺寸 10mm长，1.1mm宽，0.25mm厚
微电池体积 2.75立方毫米或0.00275cc
阳极尺寸 7mm长，0.15mm宽，0.075mm厚
阴极尺寸 7mm长，0.55mm宽，0.012mm厚
阳极集流体厚度 0.03mm厚
阴极集流体厚度 0.03mm厚
电解质体积 0.000642cc
分隔件厚度 0.030mm
封装(每层)厚度 0.025mm
制备阴极片：
阴极的制备方式如下：首先使用Waring实验室混合器混合干粉。将 Mn02(Tronox细粉)和BP2000炭黑(Cabot)以500g∶20.83g的比率(24∶1)混 合。
粉末经混合之后，即被转化成与PTFE一起的湿共混物。总的共混组 合物为24.27％的干粉(如上所述)、66.50％的去离子水、4.86％的Triton X-100溶液和4.37％的溶液(DISP30，60重量％的PTFE)。然后使用布氏 漏斗在真空下过滤湿共混物。
在制备好固体团块之后，使用珠宝商用压机、面食辊或类似的装置反 复轧制以进一步原纤化PTFE链。在每次轧制步骤(最后一次除外)之后， 固体团块即被重构以为最后一步做好准备。
使用定制的电动辊设置将团块转化成独立式片。馈送材料通过辊多 次，每次将材料折叠回自身上，并且辊之间的间隙减小直至间隙为 0.12mm。之后，使材料风干。
在阴极处于独立式片的形式之后，使用粘合剂(诸如由Henkel销售的 EB 012或由Imerys销售的E LB 1020)将该片附接到集流体。可通过例如 将钛箔集流体浸没在沸腾的10重量％草酸溶液中10分钟来使其粗糙化。在 粗糙化处理之后，取出钛箔，用去离子水冲洗，然后使其完全干燥。
使用Epilog FiberMark 50W脉冲Ytterbium光纤激光器将钛箔(10微米 厚)切割成400μm宽的条带。将阴极材料条带切割成所需宽度并且在一面 上涂覆EB-012。将阴极材料的涂覆面压到经切割的钛上。之后，使用激光 器将钛和阴极切割成单独的独立式部件。
制备电解质凝胶，其包含25重量％的乙酸锌、0.2重量％的乙酸铵和余 量水，并用6重量％的CMC(GA07Walocel)胶凝化。
如果需要，可将阴极条带层合到分隔件。为实现这一点，将钛上的阴 极条带涂覆以电解质凝胶，并且将一片略宽于阴极的分隔件(25μm厚的 Dreamweaver silverTM，可得自Dreamweaver International，Greer，South Carolina)置于胶凝化电解质的顶部。将阴极和分隔件置于两片FEP(氟化 乙丙烯)膜之间，然后将整个叠堆置于两个厚的黄铜垫片件之间。然后使 该叠堆运行通过Apache AL-13P层合机，使得阴极和分隔件机械结合在一 起。
阳极由使用诸如激光或超声切割之类的技术切割成合适尺寸的锌箔片 组成。任选地，可在切割之前使用导电粘合剂将锌胶合到一片粗糙的钛 箔；粗糙的钛箔用作阳极的集流体。所用的胶可为碳填充的热固性树脂， 诸如原子粘合剂AA Carb 61。在使用热固性树脂的情况下，将其施用于锌 或钛。也可以将热塑性树脂糊剂、油墨或涂层，诸如CreativeMaterials (Ayer，Massachusetts)107-25，施用于锌条带和钛片的一面，然后施加热和 压力以将两者接合在一起。
在一些情况下，希望使两个串联单元共用集流体，该集流体用作第一 单元的阳极集流体和第二单元的阴极集流体。在这种情况下，将阳极附接 到如上所述的集流体的一部分，同时将阴极附接到该集流体的另一侧，从 而使得任一端上的裸集流体均可启用直通。
经涂覆的膜：
经涂覆的封装膜是指与具有比聚合物材料更高阻隔件的膜相邻的聚合 物膜，其中所述更高阻隔膜件在聚合物膜上形成或驻留在相邻层上。陶瓷 膜可为氧化硅、氧化铝、氧化钛、铝、金、钛等，并且该膜通过CVD、溅 射、等离子沉积、溶胶-凝胶等方法形成。任选地，经涂覆的膜可包括沉积 到初始更高阻隔膜上的聚合物和更高阻隔膜的交替层。所用的封装膜的优 选示例为陶瓷CPP 004(CelPlast，Toronto，Canada)，其为涂覆有氧化硅阻隔层的聚丙烯。
封装电池单元：
一般来讲，电池单元通常在两片聚合物膜(经涂覆或未涂覆)之间密 封，从而形成封装单元的顶部和底部。制备电池单元的第一步是将阴极和 阴极集流体铺设在封装上，使得阴极集流体位于封装上的适当位置。在密 封期间将单元部件机械地保持在适当位置是有帮助的，使得它们不移动以 免导致短路或妨碍密封过程。例如，可以使用略微发粘的压敏膜(诸如3M 80喷雾粘合剂或Krylon Easy Tack)将单元部件附接到封装膜中的一个。还可以设想使用某种形式的机械夹具在密封过程中将单元部件保持在适当位 置。阴极和集流体保持在适当位置之后，阴极被电解质润湿。阴极可任选 地在切割之前被层合到分隔件；如果不是这种情况，则将一片分隔件机械 地放置在湿阴极的顶部，必要时施加更多电解质。
在该点处，随后将阳极(以及任选的阳极集流体；组合可被称为阳极 组件)添加到单元中。如果阴极未层合到如上所述的分隔件，则阳极组件 可放置在阴极旁边并且由分隔件与阴极分开以防止电短路。或者，无论阴 极是否层合到分隔件，阳极组件均可放置在阴极和隔板的顶部。在任一种 情况下，优选的是分隔件比阴极宽(或在阴极层合到分隔件的情况下，等 于阴极的跨度)，并且阳极组件比阴极窄。一旦阳极、阴极和分隔件处于 适当位置，电池单元即准备就绪，可与封装的顶层密封在一起。
单元封装具有“直通”和“侧面”两种密封形式。直通位于单元的较 短轴上，同时侧面位于单元的较长轴上(其中所述轴可为线性的、弓形的 或一些其他形状)。直通与侧面之间的功能差异是侧面仅需要作为气密密 封，而直通需要充当气密密封并且还使得一个或多个电端子延伸穿过直 通。如果单元的较短轴非常小(例如，小于1.5mm宽但通常大于300微米 宽)，则侧面需要比直通窄得多以防止不可接受的内部体积损失。一般来 讲，侧面可介于20μm宽和200μm宽之间，具体取决于较短单元轴的长 度。同时，也可以将材料添加到直通的厚度中(诸如干膜、涂层或粘合 剂)，以确保即使直通必须围绕集流体进行它也是气密的。由于其在通常 为至少4mm长的单元较长轴上的位置，因此直通密封占据更大长度是可接 受的。
电极相对于接缝的定位在处理此类小部件时至关重要。一般来讲，侧 缝和电极的位置可在电池宽度的5％以内。例如，对于1mm宽的电池，电 极和侧缝的位置将具有小于约±0.05mm的公差。对于电池长度，穿过直 通、直通粘合剂和直通密封机构的端子的裸露部分的位置可具有约25％的 公差。例如，对于1mm宽的密封，定位可在±0.25mm以内。需注意，裸 露端子的宽度(未涂覆阴极材料的阴极集流体和未被阳极覆盖的阳极集流 体)可延伸直通接缝的长度。
因此，侧面和直通需要不同的密封方法。对于侧面密封，优选超声焊 接。现有技术的塑料超声焊接通过基本上垂直于密封矢量的超声变幅杆的 运动发生，因此这导致不利的较宽接合部。如果超声变幅杆的摆动运动主 要在与封装材料相同的平面上，可实现相对较窄的密封部。
或者，使用激光焊接来产生宽度小于40μm的密封部。
焊接侧缝之后，必须围绕侧面切割封装膜以便分离电池封装。在一些 情况下，可以同时焊接和切割侧缝。例如，可以在振动方向与封装材料的 平面几乎平行时，使用超声焊接以小于50μm的密封部宽度同时密封和切 割塑料膜。在侧面密封的情况下，由密封方向形成的矢量沿电池封装的长 度。然而在某些情况下，可能优选的是在第一步骤中密封侧缝，然后使用 另一个步骤从封装膜中移除经封装的单元。该第二步骤可利用水射流切 割、超声切割、激光切割、模具打浇口等。
对于直通，必须围绕延伸穿过封装的集流体完全封闭封装。由于活性 材料不延伸到直通区域中，因此可以对该区域内的封装添加明显的厚度。 例如，对于具有25微米封装的250微米厚单元，可将约200微米的材料添 加到直通区域以增强密封。
第一另选方案是在热密封之前用聚合物胶乳诸如Dow Hypod、MitsuiChemipearl、Aquaseal X 2088或Joncryl涂覆集流体和/或封装。另一种另选 方案将干聚合物膜诸如由Fastel制造的干聚合物膜添加到密封区域。还可 将可热密封的聚合物(例如通过丝网印刷)施用于封装的内表面上作为分 散体。另一种另选方案是将发粘膜诸如沥青、Conseal 1400(Fujifilm Hunt) 或Henkel PM040施用于直通区域中的封装和/或集流体以增强热密封，或 将可固化的热固性粘合剂诸如两部分粘合剂、热固化粘合剂或UV固化粘 合剂施用于直通区域。对于一些实施方案，可能必须在焊接侧面的同时切 穿用于直通的粘合剂；这可通过已知用于从焊接区域移除污染物的超声焊 接来实现。这是因为对于直通密封而言，必须围绕单元的端子进行密封且 不得有任何间隙。
在一些情况下，可在上文所述的压敏粘合剂之前施用直通粘合剂(聚 合物乳胶、热密封膜、发粘膜或热固性粘合剂)，并且在一些情况下，可 在上文所述的压敏粘合剂之后施用直通粘合剂，具体取决于热密封粘合剂 的特性。在使用可固化粘合剂的情况下，一旦热密封粘合剂保持在适当位 置，即可使用夹具和相关技术诸如超声焊接或激光焊接将单元的侧面进行 密封，以基本上从侧密封部排除电解质，然后通过固化已保持在适当位置的粘合剂来形成直通。
实施例4
为了减少水侵入单元或离开单元，可减小电池与其周围环境之间的渗 透压力差。可使用Morse公式P＝∑inMnRT计算出渗透压力的近似值，其 中P为渗透压力，T为绝对温度，R为理想气体常数，Mn为混合物的第n 个组分的每升摩尔浓度，in是混合物的第n个组分溶解时获得的每个化学 式单元的离子数。两种溶液之间的渗透压力差可表示为如上所述的由P表 示的差值。优选地，该差值可小于25个大气压，或更优选地小于11个大 气压。
我们制备的电解质溶液具有25重量％的乙酸锌、0.2重量％的乙酸铵以 及包含去离子水的余量(被称为“原液”)。我们还制备了两种经稀释的 电解质溶液，这种溶液可被称为6.25％乙酸锌溶液(对原液的比为1∶3)和 1.8％乙酸锌溶液(对原液的比为1∶13)。电池保存环境附近的溶液为以下 组合物的盐水溶液：0.824重量％的氯化钠、0.893重量％的硼酸、0.23重 量％的硼酸钠和0.01重量％的乙二胺四乙酸钠(EDTA)以及包含去离子水的 余量；此后可将其称为“润湿溶液”。制备包含0.822重量％的氯化钠、 1.463重量％的硼酸和0.011重量％的硼酸钠的另外电解质，此后可将其称 为“改性润湿溶液”。使用Morse公式计算得出的相对于润湿溶液的渗透 压力示于下表4中。
针对不同溶液的测试结果
制备电池单元以建立各种电解质的性能。每个单元使用一张卡纸作为 背衬来提供刚度，封装包括位于一面上的0.001″聚乙烯可热密封层、位于 另一面上的48gauge(0.0005″)PET膜以及位于这两者之间的0.000316″铝箔 层(Ultra Flex Corporation，Brooklyn，New York)。为了能够热密封电池，使用 了若干片干燥的可热密封聚合物膜(Fastel Adhesives&Substrate Products)， 其中在单元内的一片上切出9mm×1mm的窗以容纳电池部件。使用Epilog Fibermark激光器从0.075mm厚的锌中切出阳极；所述阳极由宽0.25微米 宽的条带构成。按前述方式，使用85重量％的Mn02、10重量％的炭黒和 5％重量的PTFE的组合物制备阴极。将阴极层合到如上所述的切割钛片。 对于这些测试，阴极为400μm±5％宽×130μm±5％厚×8.5mm±0.5mm长。 将阳极和阴极置于干燥可热密封膜的窗口中，使得它们彼此不发生物理接 触。
为填充单元，加入电解质以润湿阴极。加入胶凝化电解质以填充干燥 膜内的窗口，该胶凝化电解质通过将上述电解质与1.8重量％和5重量％之 间的Walocel GA07(DowChemical Company)混合来制备；使用热密封来封 装单元并且单元的两面上都有封装膜。使用VMP3(Bio-Logic)来测试单 元，测试方案为以20μA的恒定电流放电至0.9伏的截止电压。测量内阻作 为在电池放电之前从持续三秒的初始20μA脉冲所获得的电压降。
除电化学数据之外，还获得放气数据以半定量地确定在各种电解质中 的预计储存期。使用Epilog Fibermark激光器将0.075mm厚的锌切成 0.13mm宽的条带，然后将条带添加到设计用途是获得放气速率的玻璃器皿 中，从而获得放气速率。该玻璃器皿由填充有电解质溶液的量瓶组成，电 解质溶液将与锌条带接触。该量瓶用涂蜡的玻璃塞密封。将带刻度部分附 接到量瓶的颈部，开口暴露于周围大气环境；当释出氢气时，氢气在蜡填 充部分的下方收集，迫使电解质升高到带刻度部分，从而通过测量不同时 间电解质在带刻度部分中的位置来确定放气速率。将量瓶的宽部分容纳在 保持为45℃的受热浴槽中，并且基于带刻度部分中的电解质升高来确定放 气速率。由于锌腐蚀是影响碳锌电池储存期的主要因素之一，因此假定锌 腐蚀是限制储存期的主要因素，可将放气速率视为储存期的替代指征。数 据汇总于表3中。由于阴极为电极限制容量，数据被定容地归一化成 400μm×8mm×130μm的阴极尺寸。每个数据点为所测试的十个单元的平均 值。需注意，对于包含乙酸锌的那些溶液，pH随着浓度减小而增大，而放 气速率降低，并且大部分容量得到保留。此外，即使没有锌，润湿溶液和 改性润湿溶液中的放气也很少。
表3
示例性部件组合物
多种组合物可用于电化学电池单元中。部件的任何组合物针对电化学 相容性以及电化学单元的最终用途进行选择。例如，如果需要生物相容 性，则依据其选择部件。
监管机构对于医疗装置的批准要求执行生物相容性评估，以确保装置 或材料的安全性。生物相容性的分类因此通过根据某些指南进行测试来获 得，相关指南包括ISO.10993“Biological Evaluation of Medical Devices”、 日本厚生劳动省(MHLW)“Testing Methods to Evaluate Biological Safety of Medical Devices”、医疗装置办公室的通告。装置的生物相容性测试旨在证 明该装置可直接或通过其材料成分释放来得到以下结果：(i)不产生不利的 局部或系统性效应；(ii)不致癌；或(iii)不产生不良的生殖和发育影响。一些 材料在公开文献和市场中已得到良好的化学和物理表征，并且已安全地使 用很长时间。此类材料可被认为是生物相容的，因此是优选的。医疗装置 的电池中使用的材料可通过触摸、电池渗漏(由于例如事故或电池密封不 当)来影响人的眼睛。如果渗漏或浸出的材料与眼睛或其他人体组织接 触，使用生物相容性材料可最大程度地降低发生此类并发症的风险。
阳极为在电化学电池反应中被氧化的电极部件。在一个实施方案中， 阳极包含形式为连续丝或薄型圆柱体的锌作为活性部件。锌优选地为电池 级的，原因在于其不含本领域技术人员通常了解的可促进电池中的腐蚀和 其他不利副反应的杂质。锌也可与合金诸如铋、铟、钙或铝合金化以延长 储存期。少量的铅也被证明是有效的锌合金材料。虽然被认为是非生物相 容性的，但铅保持在锌的晶界内并且不溶于电解质中。因此，这样添加的 铅可能不会造成生物相容性问题。阳极丝还用于收集从阳极流出的电子并 将它们传送出电化学电池单元。为了实现这两个用途，优选将过量阳极添 加到电池中以确保阳极保持连续。锌粉可用作实施例2中所示的另选阳极 材料。
阴极为在电化学电池反应中减少的电极部件，在将电化学电池单元置 于有负载的电路中时，阴极从电路中吸引电子。优选的阴极材料可为与导 体添加剂和粘结剂混合的二氧化锰以形成阴极混合物。优选地，将尽可能 多的二氧化锰包括在阴极组合物中以最大化电化学电池单元的容量并减小 阴极的必要尺寸。相对于阳极及其活性量确定电化学电池单元中的阴极 量。确定每个阳极和阴极的摩尔量，由此可在期望的持续时间内完成单元反应。阴极的形式在一个实施方案中为平面的，但在一个另选实施方案中 可为圆柱形的。圆柱形阴极可在形成时被挤出或以其他方式成型。
导体用于在阴极颗粒之间形成电子流以及使电子流向/流出阴极集流 体。由于添加过量的导体几乎没有有益效果，因此优选以最少量的导体完 成该任务。合适的导体为石墨、膨胀石墨和乙炔黒、炭黒以及本领域的技 术人员已知的其他导体。优选地，在本发明中使用乙炔黒，因为它为阴极 混合物提供期望水平的电解质吸收率。
阴极混合物中使用粘结剂以在电化学电池单元的整个寿命期间向阴极 提供结构。粘结剂提供此结构的能力不会被电解质改变或因二氧化锰膨胀 而改变。优选的粘结剂包括可在混合阴极混合物期间原纤化的粒状 (PTFE)乳液。
阴极混合物与阴极集流体电连通，阴极集流体的用途是提供电子到阴 极和阴极到电子的电连通并且还提供用于电化学电池单元的结构。钛丝为 阴极集流体的优选结构，因为其能够充分传导并且以较小直径提供期望的 刚度。钛网片、钛带、膨胀网片、编织金属丝均为另选的阴极集流体材 料。
针对与反应性电极材料的相容性来选择电解质。对于锌阳极和二氧化 锰阴极，勒克朗谢电解质或氯化铵NH4C1溶液、氯化锌ZnCl、乙酸锌及 其混合物为一个实施方案。对于稀释溶液，由于氯化锌的溶解度行为，包 含乙酸锌和任选的其他乙酸盐诸如乙酸铵的乙酸电解质是优选的。可替代 地使用盐诸如氯化钠NaCl、氯化镁MgCl2和氯化钾KCl溶液，连同添加剂 诸如硼酸钠、硼酸和乙二胺四乙酸钠。对胶凝化电解质，可使用羧甲基纤 维素、琼脂或替代的胶凝剂。胶凝剂用于增大电解质的粘度，使得其保持 在单元内的可用位置，即阳极与阴极之间。
胶凝化电解质可位于电化学电池单元的整个单元内部，最优选地位于 阳极与阴极之间并且以预定距离彼此相对地设置。此预定距离可由本领域 的技术人员计算得出，但该距离可允许一定公差以防止由于阳极和阴极彼 此接触而导致短路。由于电极之间没有分隔件或其他物理阻隔件，因此在 该实施方案中需要一段物理距离。胶凝化电解质的粘度不阻碍电极的移 动，并且其在电极之间的放置既用于实现离子连通也用于防止电极彼此移 动。胶凝化电解质还可通过在电极周围提供物理阻隔件来增强生物相容 性。从电极移动的颗粒被捕获在胶凝化电解质中并且防止远离电化学电池 单元移动或朝向另一个电极移动。在另一个实施方案中，可在阳极与阴极 之间放置薄型阻隔件以防止相对接触。该薄型阻隔件可由分隔件材料或离 子导电且电绝缘的材料制成。
阳极插片可机械连接到阳极，使得其可将形成的电子从阳极电传送到 电化学电池单元的负端子。出于此目的使用延长的锌丝可腐蚀或以其他方 式影响生物相容性。因此，钛或其他腐蚀性导电材料适于通过任何封装材 料来延伸阳极以提供期望的外部电子导管。
电化学电池单元可包封在封装材料中以包封电池部件，从而延长储存 期，限制离子、氧气和水进入和离开单元，并确保生物相容性。由于封装 材料是惰性的，在电池性能中不起任何作用，因此优选使材料的厚度和量 最小化。为惰性且不干扰电池单元反应的材料也是优选的，因为该材料容 易围绕整个电化学电池单元形成连续外部，同时能够密封必须渗入封装并 从封装中突出的端子电极。封装材料也优选地通过高速制造工艺容易地形 成和密封。封装材料的色素沉着也是期望的，并且此要求可表征封装材料 选择。
聚丙烯可优选作为封装材料，因为它可经由多种工艺包括热焊接、超 声焊接和激光焊接轻松进行焊接。此外，聚丙烯可为可粘合剂粘结的并且 可以各种厚度和密度提供。此外，聚丙烯对于优选的电解质组合物可为不 渗透的并且可有助于生物相容性。另选的生物相容性聚合物诸如聚氨酯、 聚乙烯基吡咯烷酮、有机硅弹性体、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酰 对苯二胺、聚氯乙烯、聚丙烯、聚烯烃、聚酯、聚丙烯酸酯(包括聚甲基 丙烯酸甲酯)。
也可涂覆电池外部或封装材料的外表面以进一步赋予其生物相容性。 合适的生物相容性涂层可包括磷酰胆碱和聚对二甲苯，诸如paralene C。
用作封装材料的经涂覆的膜除了保持电池的物理完整性，还可起到至 少两个阻隔功能的作用。该膜可防止盐离子迁移以防止电池被液体包围时 损失电解质离子。该膜还可延迟水份传输以防止电池溶胀。对于在使用前 将电池包封在密封封装中的情况，防止氧气传输不是关键需求；然而，本 领域的技术人员将认识到用于延迟水分传输的相同种类的涂层也可实质上 延迟氧气传输。
在封装行业，通常通过使阻隔膜的一面经受给定的相对湿度同时保持 另一面干燥来测量材料或装置的水渗透性，例如用干燥气体吹扫同时保持 恒定温度，测量从具有受控相对湿度的面传送穿过膜到达干燥面的水，以 水蒸汽传输速率(WVTR)来表示，单位为给定温度和相对湿度下的质量/面 积*时间。例如，可将单位表示为一定摄氏度温度和相对湿度下的g/m2- 天。
对于优选实施方案，封装的WVTR可小于1g/m-2天，或更优选小于 0.1g/m2-天，或甚至更优选地小于0.02g/m2-天，其中所述WVTR在85％至 100％之间的相对湿度和20℃至40℃之间的温度下测得。用于执行此类测 试的仪器可得自例如MOCON Inc.(Minneapolis，MN)。
然而，需注意，常规的WVTR测量可能仅测量与阻隔膜正交(即穿过 可能存在的任何阻隔涂层)的水分传输。然而，给定密封封装时，可允许 水分传输穿过接缝，即平行于阻隔膜的平面。这在封装的接缝特别狭窄例 如小于100微米宽的情况下可能尤其相关。因此，聚合物膜本身而非涂层 的阻隔特性主导侧缝的传输行为，侧缝可对电池的整体水分流入和流出做 出重要贡献，尤其是对于非常小的电池，例如表面积为0.5cm2或更小的封 装。因此，优选的是聚合物的WVTR在25微米的厚度、20℃至40℃之间 的温度和85％至100％之间的相对湿度下小于10g/m2-天，或更优选小于 5g/m2-天。
封装材料的密封方法包括所述的超声焊接和激光束焊接。另选的密封 方法包括热焊接和使用生物相容性粘合剂。
另外的电解质配制
在一些示例中，可通过使用更高纯度的化学物质(在我们的电解质配 制中，用99.99％纯度的乙酸锌代替98％纯度的乙酸锌)来改善微电池的放 气。可通过向基于乙酸锌的电解质中加入氯化锌来获得更多改善，这还可 显著提高电池容量。在一些示例中，这可能是因为当将氯化锌掺入电解质 中时，水的利用率提高和/或排放产品中的水含量降低。
聚合物封装的机械完整性
在一些示例中，干燥聚合物膜粘合剂可通过方便的制造提供可重现的 机械强效粘结。在一些示例中，可通过使用在聚酯芯的两面上均包含聚丙 烯或改性聚丙烯的可热密封胶带实现进一步改善。此类材料可施用在干燥 可热密封聚合物膜的适当位置。在一些示例中，可使用用于将锂离子电池 的端子粘附到聚丙烯可热密封封装的胶带。该胶带可在集流体与聚丙烯膜 封装之间提供可重现的强效机械粘结。
另选的干燥可热密封胶带的示例可包括旨在用于将锂离子电池端子粘 附到聚丙烯封装的胶带。该胶带可得自MTI。对于每个示例性的可热密封 胶带，可以在热密封端子之前用胶带超声密封封装的两面，使得电池单元 的两面接合在一起，在具有可热密封胶带的区域中亦接合在一起。
可通过调节电极触点中所用的钛的蚀刻条件来改善可热密封带与封装 膜之间的粘结。在一些示例中，可通过将钛在10重量％的草酸在水中的沸 腾溶液中浸泡10分钟来蚀刻钛。在一些其他示例中，两种另外的蚀刻方法 (基于氢氟酸的蚀刻和基于过氧化氢的蚀刻)可提供钛对聚丙烯的增强粘 附性。在一些示例中，可通过破裂测试来确定粘结的改善情况，在测试 中，将一定重量置于热密封聚丙烯封装上，其中一个面具有一片经蚀刻的钛，其中前述的可热密封胶带在钛的两面上均位于钛与塑料封装之间。
在一些示例中，可通过用异丙醇擦拭钛箔的表面来清洁钛箔。随后可 将所得的经清洁的箔置于穿孔基底上的一系列塑料棒上。可将箔浸入酸洗 溶液中，该酸洗溶液包含35g/L 40重量％氢氟酸、23.6g/L硫酸钠、350g/L 浓硝酸和余量水。随后，可用自来水冲洗钛。然后，可将经蚀刻的钛放置 在磷酸盐转化浴中例如约两分钟，该浴包含53g/L磷酸三钠、21g/L氟化钾 和32g/L 40％氢氟酸溶液。钛可随后进行冲洗并置于填充有去离子水的容器 中，在65℃的水浴中保持一段时间，例如十五分钟。然后可从浴中取出钛 并在使用前在干燥烘箱中干燥。
在一些示例中，可使用经修改的RAE蚀刻来执行基于过氧化氢的蚀刻 1。蚀刻制剂的化学组成可变化，例如其中蚀刻溶液可由2重量％的氢氧化 钠和1重量％、2重量％或3重量％的过氧化氢以及余量去离子水形成。随 后，可将溶液容纳在烧杯中并保持在60℃的水浴中。接着可用异丙醇擦拭 钛箔进行清洁，然后将其置于穿孔基底上的一系列塑料棒上。然后可在溶 液中的一者中蚀刻该箔5至20分钟，之后取出并用去离子水冲洗。经清洁 的箔可接下来在烘箱中干燥。
通过执行电化学测试可观察到优异的粘结状态，测试方法为在1.55V 的电压下贴靠电解质溶液中的一片锌箔保持经清洁/蚀刻的钛箔样品，其中 电解质溶液包含约6.25％乙酸锌、0.5％乙酸铵和作为硫酸铟添加的10ppm In3+。需注意，如本文所述用1％过氧化氢蚀刻的钛可吸收显著小于未蚀刻 钛的电流。这可能是由于在过氧化氢蚀刻期间钛表面上形成氧化物层，这 可被称为阳极化。
在一些示例中，可在其中热密封的区域中修改钛集流体，从而改善热 密封的机械完整性。在一些示例中，这种改善能够通过电池来铆合热密封 胶带，从而加固胶带。在一些示例中，使用金属刺戳工具手动按压阴极端 子附近的封装单元来测试通过在电极端子上切出孔进行修改的结果。在一 些示例中，可观察到具有两种类型的穿孔阴极钛集流体的单元比未穿孔的 钛阴极集流体具有定性改善的强度。具有穿孔集流体的单元保持完整，而具有未穿孔集流体的单元在按下时出现电解液泄漏。这可能意味着可通过 穿孔来增强电池单元封装的机械完整性，从而可导致储存期延长。
填充和密封方法
如先前所提及的那样，可使用超声焊接从侧密封部排除电解质。还注 意到，可以使用具有适当夹具的激光焊接来实现类似的结果。然而，在一 些构型中，使用超声焊接来密封湿电池单元(存在电解质的单元)可能存 在问题。单元可能无法完全密封。这可能是由于来自变幅杆的超声能量与 一个小型封闭空间内的电解质发生相互作用，从而形成可能损坏密封尤其 是端子周围的密封的局部压力变化。
在一些示例中，可通过从一阶段焊接转变成两阶段焊接来实现改善。 在单元周边的大部分使用适于端部的热密封和适于周边的超声密封焊接成 干单元的一个此类示例中，对单元进行填充并随后对单元周边的剩余小开 口部分进行超声密封。然后可对单元放气，并且使用小刀清除引线上来自 热密封的多余塑性流。
粘合剂将部件保持对齐的用途
在一些示例中，将部件暂时保持在适当位置可能是有用的，由此得它 们不在后续步骤中移出对齐位置。虽然机械夹持可为一种解决方案，但这 可能存在问题，原因是它需要在多个位置处抓持并且每个步骤需要专用夹 具。在一些示例中，解决方案可涉及使用压敏粘合剂诸如3M 75将部件保 持在适当位置。在一些示例中，使用0.5重量％的羧甲基纤维素钠(Walocel 2000GA 07，Dow)可有助于确保阴极、分隔件和阳极在堆叠时彼此对齐，同时仍能够使电解质导电。
在一些示例中，解决方案还可包括在层之间使用非导电压敏粘合剂层 (3M 75)的非常小的点。粘合剂可通过任何数量的常规方法来施用，诸如刷 涂或喷涂为气溶胶(例如，使用预配制的气溶胶罐或使用常规的气刷)， 必要时可使用模板或模版。
通过化学镀改善封装阻隔件强度和机械强度
在一些示例中，电池封装中的窄侧缝可形成具有较差阻隔特性的区 域，从而使得水分和气体物质经传输进入和离开单元。封装在层合体中的 常规电池(“软包单元”)在所有面上都可具有宽得多的接缝。例如，软 包单元的侧密封部可大于微电池的整个宽度(每一面2至4mm与小于约 1mm的微电池宽度)。可能无法结合在较小微电池中的较宽接缝可由于宽 度而充当有效的湿气和气体阻隔件。因此，对于具有非常窄接缝的阻隔件 强度，需要另选的解决方案。
在一些示例中，解决方案可涉及使用化学镀通过共形阻隔层来外覆微 电池。可存在多种可用于形成共形气密阻隔涂层的技术。然而，外覆小型 碳锌电池可能存在特殊的挑战。电池电解质中存在的水分与封装的不完美 阻隔特性结合，可意味着可能有持续的水分通量穿过封装到达电池表面。 此通量可污染表面。此外，不完美的封装可使得水分流出。此外，塑料封 装的熔点(对于聚丙烯约为160℃)也可能施加限制，从而可能限制适于任 何涂布方法的温度。
真空技术诸如溅射沉积和热蒸镀需要清洁的表面以用于沉积，因此也 可由于对表面的持续水分通量而不利于外覆微电池。原子层沉积也出于同 样的原因而不适合。其他技术诸如溶胶凝胶涂层和化学气相沉积可能需要 暴露于可能损坏电池的温度中。
在一些示例中，为改善阻隔效果和机械强度的理想解决方案可涉及化 学镀作为形成共形阻隔涂层的技术。化学镀是可将共形金属层沉积到导电 涂层或非导电涂层上的常规技术。已开发出化学镀浴来将金属诸如镍、铜 和锡沉积到塑料表面上。然后可使用多种金属(包括镍、铜、锡、金、 银、镉和铑)进行化学镀或电镀，从而进一步镀覆经化学镀的金属。在一 些情况下，由于成本、腐蚀和/或机械方面的顾虑，可能需要使用包含多于 一个电镀层的层状结构。
可将涂层制成任意厚度，并且涂层除了用作阻隔件还可以机械方式增 强电池。这种机械增强可迫使氢离开单元的侧面，从而减少或消除由于锌 腐蚀期间产生的氢气所引起的膨胀。为了避免电池端子之间由于镀覆而发 生短路，可能必须在镀覆过程中使用非导电材料来掩蔽一个或两个端子。
在一些示例中，可使用化学镀来形成层，其中化学镀和/或电镀可用于 在其上形成约1密耳(25微米)厚的共形铜涂层。可使用镀覆机用胶带在 镀覆过程中掩蔽这些电池的两个端子，以避免在电镀处理期间发生电池短 路。
接着可从端子上取下胶带，然后可在室温和50％相对湿度下对电池进 行老化处理。为了进行比较，在相同的条件下对未镀覆铜的类似单元进行 老化处理。传递三个20μA的脉冲100毫秒，测量单元的开路电压及其形成 的电阻，间歇性地监测单元。相比于新单元低于5kΩ的电阻，单元在电阻 超过20kΩ的时被视为失效。化学镀单元与非镀覆单元相比可显示显著的寿 命改善。
阳极增强：
在一些示例中，可观察到在密封微电池单元时，阳极可弯曲，从而导 致腐蚀。为补救这一点，在一些示例中，可通过使用常规环氧树脂(JB- Weld塑料粘合剂)将阳极粘结到钛箔来增强阳极。
水贮存器特征结构
在柔性微电池化学的一些示例中，水性电解质可包括在电池的电化学 作用中消耗的水。随着水被消耗，电池可能变干。参见图12A，示出了； 示例性电池的横截面。示例性电池可具有与已描述的类似的结构多样性。 电池可具有阴极触点1290、阳极触点1230、阳极1220、分隔件1280、阴 极1210、第一柔性层1240和第二柔性层1250。此外，还可存在水贮存器 特征结构1295。在一些示例中，水凝胶材料1295可形成在电池结构的各种 部分上，诸如图示的阴极触点上，或例如在与阴极或分隔件相邻的区域 中。水凝胶在暴露于电解质时可溶胀并且有效地形成水源，随着阴极在操 作期间变干，这些水可传递到阴极。在一些示例中，水凝胶可沉积为简单 的层，在其他示例中，可印刷水凝胶以具有允许溶胀但不显著增大电池单 元尺寸的占空比。参见图12B，该俯视图示出了阴极触点1290、阳极触点 1230以及圆形区域的水凝胶沉积物1295。参见图12C，水凝胶沉积物显示 为印刷到微电池各个区域的水凝胶的圆形区域。在一些示例中，可将水凝 胶单体喷涂在电池部件上，可适当地使用任选的掩蔽层。在其他示例中， 增材制造设备诸如Optomec多轴印刷机可在电池部件上印刷水凝胶特征结 构。在电解质的填充过程中，水凝胶将基于水凝胶的制剂溶胀一定程度。 在一些示例中，随着水扩散出水凝胶区域而进入阴极和分隔件区域，空隙 空间可允许留出一些空间，以便于电池中逸出的气体填充空间。
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1，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1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。
参见图1，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 了用作医疗装置装置的电源，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制造的其他参数诸如栅 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，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、 以及特殊装置诸如高电压场效应晶体管的可用性。考虑到可从微电池获取 功率的电气部件的这些参数方面，特别是就可用电压和电流来说，微电池 电源与所选的工艺节点及IC设计的要求相匹配是重要的。
在一些示例中，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可能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，碱性电池单元的开 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。
电池单元可串联连接以增大电压；然而，此组合可能要权衡尺寸、内 阻以及电池复杂性。电池单元也可以平行构型组合以减小电阻和增大容 量；然而，此类组合可能权衡尺寸和储存期。
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。容量通常可通过增加电池装置内的反应物的质量(从而增 加体积)来增大；然而，应当理解生物医疗装置可能在可用体积方面显著 受限。电池容量也可受到多种因素的影响，包括电极和电解质材料以及其 他因素，诸如电极的物理设计、设置在电极之间的任何分隔件材料的性质和尺寸，以及阳极、阴极活性材料、导电助剂和电解质的相对比例。
根据电池所连接的电路的要求，电池可需要提供一定的值范围内的源 电流。在启动使用之前的储存过程期间，大约皮安至纳安级的泄漏电流可 能流过电路、互联器及绝缘体。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。
储存期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，电动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，然后成型为适当的三维形状。 在一些示例中，电池可足够小，即使其不弯曲，也不会影响三维形状。在一些其他示例中，可将多个小电池的耦合放入三维形状空间中。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。所得的模组化电池部件可用于具有可 形成电池部件的适当刚性区域的各种介质插入构造；并且在另一个示例 中，使用模块化电池部件可有利于使用不同于原本可利用的制造技术的不 同备选方案，诸如基于幅材的技术(辊到辊)、基于片材的技术(片到 片)、印刷、平版印刷和“刮板”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。
电池元件分隔件
本发明所述类型的电池可利用分隔件材料，所述分隔件可以物理的方 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 隔件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件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件的选择、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 最薄的分隔件材料。例如，约25微米厚的分隔件可为期望的。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件，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)三层分隔件隔 膜诸如由Celgard(Charlotte，NC)生产的那些。分隔件材料的可取示例可为 具有12微米厚度的Celgard M824PP/PE/PP三层膜。可用于本发明的示例 的分隔件材料的另选示例可包括分隔件隔膜，其中包括再生纤维素(例如 玻璃纸)。
尽管PP/PE/PP三层分隔件膜可由于其聚烯烃特性而具有有利的厚度和 机械性能，但为了使分隔件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三层分隔件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，聚烯烃分隔件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。由于这些分隔件的聚烯烃特性，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，聚烯烃分隔件对用 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件隔膜以用于将部件切割成弧区段或其他有 利的分隔件设计，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，那么所述分隔件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，如果所述分隔件 隔膜不平坦并且无褶皱，分隔件隔膜的形状精度和几何公差可无法完全实 现。例如，当前示例的分隔件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。可通过将分隔件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 分隔件隔膜的脆弱性和从粘合剂层释放分隔件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件隔膜。在 层合之前，分隔件隔膜被制成不含颗粒。这可通过超声清洗分隔件隔膜以 分离任何表面粘附颗粒来实现。在一些示例中，分隔件隔膜的处理可在诸 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 的分隔件形状。一个要求可为液体具有足够低的表面张力以吸入到分隔件 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，分隔件材料从白色转变为半透明的外观。希望选择对 将暴露在分隔件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 烃分隔件，而无需过多的切割激光束穿过次数。在一些示例中，分隔件可 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，分隔件可在固定到浮法玻璃上时进行切割。将分隔件 固定到浮法玻璃载体上进行激光切割的一个优势可为，可从一个分隔件存 料片切割出非常高数量密度的分隔件，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，可最小化废弃分隔件膜的生成。一旦分隔件已被切割， 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。分立的分隔件一 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，聚烯烃分隔件隔膜可固有地疏水，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。一种使分隔件隔膜可 润湿的方法可为氧等离子体处理。例如，分隔件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。另一种改善分隔件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件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 隔件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，微孔分隔件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，分隔件的孔可变得被封闭，从而在电化学电池操作期间不利地影 响分隔件的效用。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件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件隔膜的表面活性 剂选择中的一个考虑可为，表面活性剂可具有的对电化学电池内的一个或 多个电极活性的影响，例如通过增加电池的电阻抗。在一些情况下，特别 是就含水电解质中的锌阳极而言，表面活性剂可具有有利的抗腐蚀性质。 众所周知，锌可与水经过缓慢的反应释放出氢气，而这是不期望的。本领域的技术人员已知多种表面活性剂可将所述反应的速率限制到有利的水 平。在其他情况下，表面活性剂可与锌电极表面强烈地相互作用而使电池 性能可能受阻。因此，在选择适当的表面活性剂类型和负载水平时需要十 分小心，以确保可获得分隔件可润湿性，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，一种用于赋予分隔件隔膜可 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 有对分隔件膜进行亲水处理，并且一种或多种表面活性剂以足以实现分隔 件隔膜的可润湿性的量被添加到电解质制剂中。
可通过将离散的分隔件直接放置到管组件的一侧的一部分中而集成到 管状微电池中。
聚合电池元件分隔件
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件(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。
获得就地形成的机械稳固的均匀分离物的方法为使用可UV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 的分隔件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、可聚合的分隔件可有利地被施加 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 聚合的分隔件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 分隔件材料。然后可通过暴露于适当的清洗溶剂来移除未反应的分隔件材 料。在这些示例中，分隔件材料可被指定为可光图案化的分隔件。
多组分分隔件制剂
根据本发明示例可用的分隔件可具有可对其功能重要的多种特性。在 一些示例中，分隔件可有利地以如下方式形成：产生物理阻隔，使得分隔 件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，分隔件需要最佳的水吸收，以优化分隔件的机械性能。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 善本发明的分隔件的润湿性。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，前提条件是将所述聚合物加入示例性硅水凝胶制剂中时，亲水性聚合 物(a)基本上不与反应混合物发生相分离，并且(b)向所得的固化聚合物赋予 润湿性。
在一些示例中，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。
与这些类型的分隔件相关联的方法还可包括接收CGI 819；然后与 PVP、HEMA、EGDMA和IPA混合；然后用热源或通过暴露于光子来固化 所得混合物。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 互连器可与电池内部和外部的环境交互，并且可横跨这些环境之间的边界 或密封部。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
设想可通过在侧壁上沉积金属膜或通过将金属丝用作基底来形成集流 体和电极来实现许多集流体和电极设计。这些示例已进行例示说明。然 而，可能有一些设计采用管电池形式的其他集流体或电极设计。
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的相对小厚度例如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大并随横 截面积而减小，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 用作集流体本身。在一些示例中，管形式的金属可在其表面上形成沉积 物。例如，金属管件可充当溅射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，可将铜电镀 到晶种层的顶部以生出厚的导体层。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。
也可使用由多种材料制成的丝形成电极的集流体和/或基底。在一些示 例中，金属导体可穿透绝缘体材料诸如玻璃或陶瓷以提供隔离的集流体触 点。在一些示例中，丝可由钛制成。在其他示例中，可使用其他碱金属 (包括但不限于铝、钨、铜、金、银、铂)或可对其施用表面膜。
阴极混合物和沉积物
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 刷阴极混合物糊剂/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。
研磨通过压碎、碾磨、切割、振动或其他工艺将固体材料从一个平均 粒度减小至较小平均粒度。研磨也可以用来将有用的材料从其可嵌入的基 质材料中释放，并浓缩矿物质。磨机通过碾磨、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。阴极混合物具有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，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的平均粒度可为7微米，带有可包含最大约70 微米颗粒的大颗粒内容物。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。
粘结剂可为疏水性的；它也可为亲水性的。可用于本发明的粘结剂聚 合物示例包括PVP、聚异丁烯(PIB)、包含苯乙烯端块的橡胶三嵌段共聚物 (诸如由Kraton Polymers制造的那些)、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 泥诸如卜特兰水泥等。
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Dow Chemical Company的TritonTMQS-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 克敏斯特富勒烯、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。
在一些示例中，阴极可沉积在管壁或丝形式的阴极集流体上。管壁和 丝在一些示例中可为金属的，并且可具有阴极化学物诸如沉积在其上的二 氧化锰。在其他示例中，电解二氧化锰的涂层可形成于阴极集流体上。
阳极和阳极抗蚀剂
本发明的管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。
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。
此类装置的安全性可受到以下因素的影响：形成装置的材料或由装置 形成的材料；在制造装置时所采用的材料的量；以及施用的用于将装置与 周围的身体上或身体内环境隔开的封装。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，此类起搏器通常可与焊接的气密钛外壳(或在其他示 例中，为多个包封层)封装在一起。新兴的电动生物医疗装置可能对封装 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。在此类示例 中，可用于封装的体积和面积可能大大减小。有限体积的优点可为材料和 化学品的量可非常小，以致固有地将对于使用者的可能暴露限制在低于安 全限制的水平。
基于管的方法尤其在包括气密密封部时可提供增强生物相容性的方 式。管部件可各自对材料进入和出口提供显著阻隔。另外，通过本文所述 的许多气密密封工艺，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”是在单体、大分子单体或预聚物中含有至少一个[- Si-O-]单元的组分。优选地，按含有机硅的组分的总分子量计，所有硅和所 连接的氧以大于约20重量百分比，且更优选地大于30重量百分比的量存 在于含有机硅的组分中。可用的含有机硅的组分优选包括诸如丙烯酸酯、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的可聚合官能团。
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独立地选自一价反应性基团、一价烷基或一价芳基，上述任何基团 还可以包含选自羟基、氨基、氧杂、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰胺基、 氨基甲酸根、碳酸根、卤素或它们的组合的官能团；和具有1至100个Si- O重复单元的一价硅氧烷链，其中所述重复单元还可以包含选自烷基、羟 基、氨基、氧杂、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰氨基、氨基甲酸酯基、卤 素或它们的组合的官能团；
其中b＝0至500，其中应当理解，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、C2-12烯基、C2-12烯 基苯基、C2-12烯基萘基、C2-6烯基苯基、C1-6烷基、O-乙烯基氨基甲酸 酯以及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，剩余的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 反应基团，另一个末端R1包含具有1至6个碳原子的一价烷基，剩余的 R1包含具有1至3个碳原子的一价烷基。本实施方案的硅树脂组分的非限 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乙烯基 氨基甲酸酯：
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括1，3-双[4- (乙烯氧基羰氧基)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酯乙烯酯；碳酸三甲基甲硅烷基甲基乙烯酯，版 权
其中希望得到模量低于约200的生物医疗装置，仅一个R1应包含一价 反应性基团，并且剩余的R1基团中不超过两个可包含一价硅氧烷基团。
另一类含有机硅的组分包括以下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：
R11独立地代表具有1至10个碳原子并且碳原子之间可以包含醚键的 烷基或氟代烷基基团；y为至少1；并且p提供400至10,000的部分重量； E和E1各自独立地代表可聚合的不饱和有机基，其由下式表示：
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 碳原子的二价基团；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：
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化合物(其中x+y为10至30范围内的数值)。
其他适合用于本发明的含有机硅组分包括包含聚硅氧烷、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 氟代接枝或氢原子连接到末端二氟代碳原子的侧基的聚硅氧烷；含醚键和 硅氧烷键的亲水性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 (2)

1.一种生物医疗装置，包括：
电活性部件；
一种电池，所述电池包括：
阳极集流体；
阴极集流体；
阳极，所述阳极沿弓形路径延伸；
大致平面的阴极，所述大致平面的阴极沿所述弓形路径延伸，其中所述阳极位于所述阴极之上；
分隔件，所述分隔件定位于所述阳极与所述阴极之间，其中所述分隔件沿所述弓形路径延伸；
电解质，所述电解质大致围绕所述阳极、所述阴极和所述分隔件定位，以在所述阳极与所述阴极之间提供离子传导性；
柔性封装，所述柔性封装大致围绕所述阳极、所述阴极、所述阴极集流体、所述分隔件和所述电解质，其中所述阳极集流体沿所述弓形路径沿第一矢量延伸穿过所述柔性封装，并且所述阴极集流体沿所述弓形路径沿第二矢量延伸穿过所述柔性封装；
包封铜层，所述包封铜层围绕所述柔性封装，其中所述阳极集流体或所述阴极集流体中的一者不被所述包封铜围绕，并且其中所述铜层的至少一部分用化学镀沉积到所述柔性封装；以及
水凝胶层，其中所述水凝胶层存储水并且其中所述水凝胶层的所述水可扩散到所述电池内的阴极和分隔件层；以及
第一生物相容性包封层，其中所述第一生物相容性包封层至少包封所述电活性部件和所述电池。
2.一种制造微电池的方法，所述方法包括：
获得阴极集流体；
用导电粘合剂将阴极附接到所述阴极集流体；
获得阳极集流体；
获得阳极；
堆叠所述阴极集流体、所述阴极、所述阳极、所述阳极集流体和分隔件，其中所述分隔件位于所述阴极与所述阳极之间；
用第一柔性塑料片和第二柔性塑料片围绕所述叠堆；
用第一超声焊接件将所述第一柔性塑料片和所述第二柔性塑料片焊接到彼此，其中所述第一超声焊接件沿两面的第一部分围绕所述叠堆，其中所述两面的第二部分包括用于所述微电池的填充端口；
在所述填充端口内填充电解质；
焊接所述第一柔性塑料片和所述第二柔性塑料片的所述两面的所述第二部分，其中所述第二部分的所述焊接密封所述填充端口；
沿所述微电池的一部分沉积铜的化学镀层；以及
与所述阴极和所述分隔件中的一者或多者相邻地沉积水凝胶层。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110336576A (zh) * 2019-06-26 2019-10-15 维沃移动通信有限公司 导电装置及终端设备
CN111244526A (zh) * 2020-02-28 2020-06-05 Oppo广东移动通信有限公司 柔性电池及电子设备
CN112332042A (zh) * 2020-11-10 2021-02-05 深圳新源柔性科技有限公司 电子器件及其制备方法
CN115971010A (zh) * 2022-12-29 2023-04-18 西北工业大学太仓长三角研究院 一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112206782B (zh) * 2019-07-12 2023-11-14 南京理工大学 含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片及其制备方法
EP3796352A1 (en) * 2019-09-19 2021-03-24 Kabushiki Kaisha Toshiba Secondary battery, battery pack, vehicle, and stationary power supply
CN115692818B (zh) * 2022-11-04 2024-03-26 天津大学 一种软包电池铝塑膜封装装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1992375A (zh) * 2005-12-31 2007-07-04 财团法人工业技术研究院 一种储能装置、储能装置的封装结构及其制造方法
CN101689621A (zh) * 2007-06-29 2010-03-31 永备电池有限公司 用于非水电化学电池的抗蒸气透过性密封元件
WO2016014554A1 (en) * 2014-07-21 2016-01-28 Flexel, Llc Flexible micro-battery

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5228360B2 (ja) * 2007-04-12 2013-07-03 ソニー株式会社 電池パック
RU2364988C1 (ru) * 2007-12-21 2009-08-20 Виктор Александрович Дзензерский Аккумуляторная батарея
JP5617074B2 (ja) * 2010-03-31 2014-11-05 奥野製薬工業株式会社 金属ナノ構造体およびその製造方法
US9088050B2 (en) * 2011-08-29 2015-07-21 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Electrode group for thin batteries, thin battery, and electronic device
US9979045B2 (en) * 2013-03-05 2018-05-22 Shenhua Group Corporation Limited Biopolar battery, manufacturing method thereof and vehicle
US9923177B2 (en) * 2014-08-21 2018-03-20 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Biocompatibility of biomedical energization elements
US9599842B2 (en) * 2014-08-21 2017-03-21 Johnson & Johnson Vision Care, Inc. Device and methods for sealing and encapsulation for biocompatible energization elements
KR20160031639A (ko) * 2014-09-12 2016-03-23 주식회사 아모그린텍 플렉서블 배터리용 파우치, 이를 이용한 플렉서블 배터리 및 그의 제조 방법
JP6484800B2 (ja) * 2015-02-24 2019-03-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 フレキシブル電池

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1992375A (zh) * 2005-12-31 2007-07-04 财团法人工业技术研究院 一种储能装置、储能装置的封装结构及其制造方法
CN101689621A (zh) * 2007-06-29 2010-03-31 永备电池有限公司 用于非水电化学电池的抗蒸气透过性密封元件
WO2016014554A1 (en) * 2014-07-21 2016-01-28 Flexel, Llc Flexible micro-battery

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110336576A (zh) * 2019-06-26 2019-10-15 维沃移动通信有限公司 导电装置及终端设备
CN110336576B (zh) * 2019-06-26 2021-06-15 维沃移动通信有限公司 导电装置及终端设备
CN111244526A (zh) * 2020-02-28 2020-06-05 Oppo广东移动通信有限公司 柔性电池及电子设备
CN112332042A (zh) * 2020-11-10 2021-02-05 深圳新源柔性科技有限公司 电子器件及其制备方法
CN115971010A (zh) * 2022-12-29 2023-04-18 西北工业大学太仓长三角研究院 一种制备纳米复合材料压阻式应变传感器的方法

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Publication number Publication date
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