CN116706265A - 可生物降解的电化学装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电化学装置，该电化学装置包括阳极和阴极。该电化学装置还包括设置在该阳极和该阴极之间的挤出的电解质组合物。该电化学装置的该阴极和/或该阳极能够以堆叠的几何形状或横向x‑y平面几何形状设置。该电解质组合物可包含凝胶聚合物电解质。该电解质组合物以横向非连续图案设置在该阳极和该阴极之间。还公开了一种生产电化学装置的电解质层的方法。

Description

可生物降解的电化学装置及其方法
技术领域
本发明所公开的实施例或实施方式涉及可生物降解的电化学装置、其电解质及其制造方法。
背景技术
由于对便携式和远程电源的需求不断增长，世界上生产的电池数量不断增加。具体地讲，许多新技术需要电池来为嵌入式电子器件供电。例如，嵌入式电子器件(诸如便携式和可穿戴电子器件、物联网(IoT)装置、患者健康护理监测、结构监测、环境监测、智能包装等)依赖电池供电。虽然常规电池可部分地再循环利用，但当前不存在环境友好或可生物降解的可商购获得的电池。因此，如果没有适当地处置或再循环利用，则常规电池的制造和使用的增加导致环境中有毒和有害废物的相应增加。鉴于上述情况，需要开发改进的可生物降解的电池；特别是对于在丢弃之前使用一次性电池有限时间的应用。
此外，为了满足对柔性、低成本、中等或低性能电池的需求，已经开发了全印刷电池。这些全印刷电池中的一些使用GPE(凝胶聚合物电解质)代替浸有水性溶液的纸或羊毛材料。GPE层的优点包括易于制造、改善的结构完整性、柔性和更一致的性能。丝网印刷可固化GPE材料的当前方法受到诸如厚度不均匀、堆积高度不足和膜中气泡的问题的挑战。不均匀的厚度可能导致全印刷电池结构中的屈曲。电池中不适当的堆积高度可能导致短路，并且膜中的气泡可能导致电池结构中差的膜均匀性和不规则的性能。
需要制造具有良好保真度(无气泡、足够的厚度和均匀的堆积高度)的可生物降解的凝胶聚合物电解质层的方法，以及使用这种方法制造的电池。
发明内容
以下给出简要的发明内容，以便提供对本教导内容的一个或多个实施方案的一些方面的基本理解。这个发明内容不是全面的概述，也并不旨在标识本教导内容的关键或重要元素，也并不旨在描述本公开的范围。相反，其主要目的仅仅是以简化形式呈现一个或多个概念，作为后面所呈现的具体实施方式的前序。
公开了一种电化学装置。该电化学装置包括阳极和阴极。该电化学装置还包括设置在该阳极和该阴极之间的挤出的电解质组合物。电化学装置的实施方式可包括其中阴极和/或阳极以堆叠的几何形状设置。阴极和/或阳极可以横向x-y平面几何形状设置。该电解质组合物可包含凝胶聚合物电解质。凝胶聚合物电解质可包含共聚物的水凝胶和分散在共聚物的水凝胶中的盐。电解质组合物可包含交联剂。电解质组合物可包含光引发剂。光引发剂可包括苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂。该电解质组合物以横向非连续图案设置在该阳极和该阴极之间。
公开了另一种电化学装置。该电化学装置包括阳极和阴极。该电化学装置可包括设置在该阳极和该阴极之间的非丝网印刷的电解质组合物。
公开了一种生产电化学装置的电解质层的方法。生产电化学装置的电解质层的方法还包括制备用于电化学装置的基板，所述基板具有电极。生产电化学装置的电解质层的方法还包括将电解质组合物从挤出分配器分配到基板上并与电极接触。生产电化学装置的电解质层的方法还包括固化电解质组合物。
生产电化学装置的电解质层的方法的实施方式可包括其中电解质组合物包含凝胶聚合物电解质，所述凝胶聚合物电解质还可包含共聚物的水凝胶和分散在共聚物的水凝胶中的盐。电解质组合物可包含稀释剂以调节电解质组合物的粘度。电解质组合物可具有约1,000cp至约100,000cp的粘度。电解液组合物可包含光引发剂，诸如苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂。生产电化学装置的电解质层的方法可包括在分配电解质组合物之前混合电解质组合物。可根据特定图案分配电解质组合物。生产电化学装置的电解质层的方法可包括在分配之后暂停以允许电解质组合物在环境条件下聚结。固化可包括使电解质组合物经受紫外线辐射。
附图说明
并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本教导内容的实施方案。从以下结合附图对各种实施方案的描述中，本公开的实施方案中的这些和/或其他方面和优点将变得显而易见并且更易于理解，其中：
图1示出了根据本公开的处于堆叠构造的示例性电化学装置的分解图。
图2示出了根据本公开的能够分配用于电化学装置的凝胶聚合物电解质层的挤出装置的示意图。
图3示出了根据本公开的用于为电化学装置提供凝胶聚合物电解质层的方法的示意图。
图4是根据本公开的用于电化学装置的挤出凝胶聚合物电解质层的照片。
图5示出了根据本公开的用于生产电化学装置的电解质层的方法。
图6示出了根据本公开的用于生产电化学装置的电解质层的方法。
图7示出了根据本公开的用于生产电化学装置的电解质层的方法。
应注意的是，附图的一些细节已被简化并被绘制为有利于理解本教导内容，而不是维持严格的结构准确性、细节和比例。
具体实施方式
以下对各种典型方面的描述本质上仅仅是示例性的，并且绝不旨在限制本公开、本公开的应用或用途。
如全文所用，范围用作描述该范围内的各个和每个值的缩略词。可选择该范围内的任何值作为该范围的界标。此外，本文所引用的所有参考文献均据此全文以引用方式并入本文。在本公开中的定义与所引用的参考文献中的定义发生冲突的情况下，以本公开为准。
除非另有说明，本文和说明书中其他地方表达的所有百分比和量应理解为是指重量百分比。给出的量基于材料的活性重量。
另外，所有数值均为“约”或“大约”指示值，并且考虑到由本领域普通技术人员所预期的实验误差和变化。应当理解，无论“约”是否与其结合使用，本文所公开的所有数值和范围均为近似值和范围。还应当理解，如本文结合数字所用的术语“约”是指可为该数字±0.01％(包括端值在内)、±0.1％(包括端值在内)、±0.5％(包括端值在内)、±1％(包括端值在内)的值、该数字±2％(包括端值在内)的值、该数字±3％(包括端值在内)的值、该数字±5％(包括端值在内)的值、该数字±10％(包括端值在内)的值、或该数字±15％(包括端值在内)的值。还应当理解，当本文公开数值范围时，也具体公开了落在该范围内的任何数值。
除非上下文另有明确规定，否则如本文所用，术语“或”是包容性运算符，并且等同于术语“和/或”。除非上下文另有明确规定，否则术语“基于”不是排他性的，并且允许用于基于未描述的附加因素。在本说明书中，对“A、B和C中的至少一者”的表述包括含有A、B或C、A、B或C的多个示例、或者A/B、A/C、B/C、A/B/B/B/B/C、A/B/C的组合等实施例。此外，在整个说明书中，“一个”、“一种”和“该”的含义包括复数指代。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
现在将详细地参考本教导内容的示例性实施例，附图中示出了这些实施例的示例。在任何可能的地方，在整个附图中将使用相同的参考标号来指相同、类似或相似的部件。
本文公开了一种可生物降解的电化学装置。如本文所用，术语“可生物降解的”或“可生物降解材料”可指能够或被构造成用于在合理的时间量内被填埋场中的活生物体，特别是微生物分解的材料、组分、物质、装置等。材料、组分、物质、装置等可分解为水、天然存在的气体如二氧化碳和甲烷、生物质或它们的组合。如本文所用，表述“可生物降解的电化学装置”或“可生物降解的装置”可分别指其中它们的至少一种或多种组分是可生物降解的电化学装置或装置。在一些情况下，可生物降解的电化学装置或可生物降解的装置的大多数或相当数量的组分是可生物降解的。在其他情况下，可生物降解的电化学装置或可生物降解的装置的所有聚合物组分是可生物降解的。例如，电化学装置的聚合物和/或其他有机基组分是可生物降解的，而本文公开的电化学装置的无机材料，包括金属和/或金属氧化物，可能不是可生物降解的。应当理解，如果电化学装置的所有聚合物和/或有机基组分是可生物降解的，则通常认为整个电化学装置是可生物降解的。如本文所用，术语“可堆肥的”可指能够制成堆肥或以可持续或环境友好的方式处理的物品。可堆肥材料可被认为是可生物降解材料的子集类别，其中可能需要额外的特定环境温度或条件来分解可堆肥材料。虽然术语“可堆肥的”与“可生物降解的”不同义，但它们在一些情况下可互换使用，其中崩解或分解可生物降解材料所需的条件应理解为与分解可堆肥材料所需的条件相似。如本文所用，术语或表述“电化学装置”可指将电转化成化学反应和/或反之亦然的装置。例示性电化学装置可以是或包括但不限于电池、染料敏化太阳能电池、电化学传感器、电致变色玻璃、燃料电池、电解槽等。
如本文所用，术语或表述“环境友好的电化学装置”或“环境友好的装置”可分别是指通常对生态系统或环境表现出最小毒性、降低毒性或无毒性的电化学装置或装置。在至少一个实施方案中，本文公开的电化学装置和/或其部件是环境友好的。
如本文所用，术语或表述“膜”或“阻隔层”可指薄的、部分或基本上塑料和/或聚合物材料，其可用于各种电化学装置部件或零件，包括但不限于基板、连接件、外壳、阻挡层或它们的组合。本文所述的膜可以是刚性的或柔性的，这取决于它们相应组合物的固有物理性质或尺寸。在至少一个实施方案中，这些膜或阻隔层可以是环境友好的或可生物降解的。
如本文所用，术语或表述“外壳”、“阻隔层”或“水蒸气阻隔层”可指用于部分密封、完全密封或以其他方式用于防止水分、水或其他可蒸发材料经由电化学装置的阻隔层进入或离开的材料。在至少一个实施方案中，这些外壳可以是环境友好的或可生物降解的。
在至少一个实施方案中，本文公开的电化学装置可以包括阳极、阴极(即，集电器和/或活性层)以及一种或多种电解质组合物(例如，可生物降解的固体水性电解质组合物)。在另一个实施方案中，可生物降解的电化学装置还可包括一个或多个基板、一个或多个密封件、一个或多个包装、一个或多个袋、一个或多个外壳或它们的组合。
本文公开的电化学装置可以是柔性的。如本文所用，术语“柔性”可指能够围绕预定曲率半径弯曲而不断裂和/或破裂的材料、装置或它们的部件。本文公开的可生物降解的电化学装置和/或其部件可围绕约30cm或更小、约20cm或更小、约10cm或更小、约5cm或更小的曲率半径弯曲而不断裂或破裂。
挤出的电解质组合物的示例性示例可包括如本文所述的组合物，并且可被包括在电化学装置如电池或可生物降解电池中。包括如本文所述的挤出的电解质组合物的装置或设备的替代示例可包括但不限于碳捕集或二氧化碳减少装置、原电池或电解槽。虽然电解槽是可以在电解过程中利用电力将水分解成氢气和氧气的系统，但是利用电力进行化学过程的其他系统可以结合如本文所述的挤出的电解质组合物。
图1示出了根据本公开的处于堆叠构造的示例性电化学装置的分解图。如图1所示，电化学装置100可以包括第一基板102、与第一基板102相邻设置或设置在其顶部上的第一集电器104、与第一集电器104相邻设置或设置在其顶部上的阳极活性层106、与阳极106相邻设置或设置在其顶部上的电解质层108、与电解质组合物108相邻设置或设置在其顶部上的阴极活性层110、与阴极活性层110相邻设置或设置在其顶部上的第二集电器112、以及与第二集电器112相邻设置或设置在其顶部上的第二基板114。应当理解，第一集电器104和阳极活性层106在本文中可统称为电化学装置100的阳极。还应当理解，第二集电器112和阴极活性层110在本文中可统称为电化学装置100的阴极。如图1所示，电化学装置100的阳极和阴极可以堆叠构造或几何形状布置，使得阳极和阴极设置在彼此之上或之下。
在某些示例中，电化学装置100可以包括一个或多个密封件(此处未示出)，所述密封件能够或被构造成用于气密地密封电化学装置100的第一基板和第二基板102、114之间的集电器104、106、阳极活性层106、阴极活性层110和电解质组合物108。在另一个示例中，电化学装置100可以不含或基本上不含密封件，如图1所示。例如，基板102、114可彼此熔融或粘结以密封电化学装置100。在其它示例中，集电器104、106中的每一者可包括相应的突出部，所述突出部可延伸到电化学装置100的主体外部，从而提供连接性。在一些示例中，电化学装置100可以并排或共面构造布置。此外，电化学装置100的阳极和阴极可以是共面的，使得阳极和阴极沿着相同的X-Y平面布置。
在至少一个示例中，电化学装置100的基板中的任何一者或多者可以是或者包括但不限于可生物降解的基板。例示性可生物降解的基板可以是或者包括但不限于聚乳酸(PLA)、聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)、丝纤蛋白、脱乙酰壳多糖、聚己内酯(PCL)、聚羟基丁酸酯(PHB)、米纸、纤维素或它们的组合或复合物中的一者或多者。
相应的可生物降解的电化学装置100的可生物降解的基板在约50℃至约150℃的温度处可以是稳定的。如本文所用，术语“稳定的”或“稳定性”可指基板在暴露于约50℃至约150℃的温度时抵抗尺寸变化并保持结构完整性的能力。例如，在暴露于约50℃至约150℃的温度后，可生物降解的基板能够或并构造成保持结构完整性，其中尺寸变化小于约20％、小于约15％或小于约10％。在一个示例中，可生物降解的基板中的每个基板在约50℃、约60℃、约70℃、约80℃、约90℃、约100℃或约110℃至约120℃、约130℃、约140℃、或约150℃的温度处可以是稳定的(例如，尺寸变化小于20％)。在另一个示例中，可生物降解的基板中的每个基板在至少100℃、至少105℃、至少110℃、至少115℃、至少120℃、至少125℃、至少130℃、至少135℃、至少140℃或至少145℃的温度处可以是稳定的。在至少一个实施方案中，可生物降解的基板可在约50℃至约150℃的温度处稳定约5min至约60min或更长的时间。例如，可生物降解的基板可在上述温度处稳定约5min、约10min、约20min或约30min至约40min、约45min、约50min、约60min或更长的时间。
在至少一个实施方案中，可生物降解的基板是可焊接的、可粘结的和/或可永久热密封的，而不使用另外的粘合剂。例如，基板102、114中的每一个的可生物降解的基板可以是彼此可焊接的和/或可粘结的，而不使用相应的密封件。可以彼此可焊接和/或可粘结的例示性可生物降解的基板可以是或者包括但不限于热塑性塑料，诸如聚乳酸(PLA)；用成核剂改性以增强结晶度的聚丙交酯，诸如聚丙交酯聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、PLA和聚羟基丁酸酯(PHB)的共混物、基于PHB的共混物等，或它们的组合。如本文所用，术语或表述“可粘结的”、“可焊接的”和/或“可永久热密封的”可指材料(例如，基板)将两个表面彼此热密封或经由加热或熔融将两个表面彼此永久接合的能力。
示例性可生物降解的电化学装置100的阳极活性层106可以是或者包括但不限于以下中的一者或多者：锌(Zn)、锂(Li)、碳(C)、镉(Cd)、镍(Ni)、镁(Mg)、镁合金、锌合金等，或它们的组合和/或合金。示例性阳极活性层或其材料可以是或包括但不限于等，或它们的组合。在至少一个实施方案中，阳极活性层可以包括足够量的氧化锌(ZnO)以调节或控制H2放气。
在至少一个示例中，示例性可生物降解的电化学装置100的阳极活性层106可由阳极糊料制备或制造。例如，阳极活性层可由锌阳极糊料制备。阳极糊料可在立式磨机中制备。在至少一个实施方案中，可将不锈钢丸置于立式磨机中以促进阳极糊料的制备。阳极糊料可以包括一种或多种金属或金属合金、一种或多种有机溶剂、一种或多种苯乙烯-丁二烯橡胶粘结剂、或它们的组合。在示例性实施方案中，阳极糊料可以包括乙二醇、苯乙烯-丁二烯橡胶粘结剂、氧化锌(ZnO)、氧化铋(III)(Bi2O3)、Zn粉或它们的组合中的一者或多者。例示性有机溶剂在本领域中是已知的，并且可以是或者包括但不限于乙二醇、丙酮、NMP等，或它们的组合。在至少一个实施方案中，可使用任何一种或多种可生物降解的粘结剂代替苯乙烯-丁二烯橡胶粘结剂或与苯乙烯-丁二烯橡胶粘结剂组合使用。
示例性可生物降解的电化学装置100的阴极活性层110可以是或者包括但不限于以下中的一者或多者：铁(Fe)、氧化铁(VI)、氧化汞(HgO)、氧化锰(IV)(MnO2)、碳(C)、含碳阴极、金(Au)、钼(Mo)、钨(W)、三氧化钼(MoO3)、氧化银(Ag2O)、铜(Cu)、氧化钒(V2O5)、氧化镍(NiO)、碘化铜(Cu2I2)、氯化铜(CuCl)等，或它们的组合和/或合金。在一个示例性示例中，阴极活性层110可以包括氧化锰(IV)。碳和/或含碳阴极活性层可用于水性金属-空气电池，诸如锌空气电池。
在至少一个示例中，阴极活性层110可以包括能够或被构造成至少部分地增强阴极活性层110的电子电导率的一种或多种添加剂。例示性添加剂可以是或者包括但不限于碳颗粒，诸如石墨、碳纳米管、炭黑等，或它们的组合。
在至少一个示例中，示例性可生物降解的电化学装置100的阴极活性层110可由阴极糊料制备或制造。例如，阴极活性层110可由氧化锰(IV)阴极糊料制备。阴极糊料可在立式磨机中制备。在至少一个示例中，可将不锈钢丸置于立式磨机中以促进阴极糊料的制备。阴极糊料可以包括一种或多种金属或金属合金、一种或多种有机溶剂(例如，乙二醇)、一种或多种苯乙烯-丁二烯橡胶粘结剂、或它们的组合。在一个示例性示例中，阴极糊料可以包括乙二醇、苯乙烯-丁二烯橡胶粘结剂、氧化锰(IV)(MnO2)、石墨或它们的组合中的一者或多者。例示性有机溶剂在本领域中是已知的，并且可以是或者包括但不限于乙二醇、丙酮、NMP等，或它们的组合。在至少一个示例中，一种或多种有机溶剂可被水性溶剂如水替代或与水性溶剂如水组合使用。例如，水可以与氧化锰(IV)组合使用。
阳极和/或阴极糊料可具有约100cP至约1E6cP的粘度。例如，阳极和/或阴极糊料可具有大于或等于约100cP、大于或等于约200cP、大于或等于约500cP、大于或等于约1,000cP、大于或等于约1,500cP、大于或等于约2,000cP、大于或等于约10,000cP、大于或等于约20,000cP、大于或等于约50,000cP、大于或等于约1E5cP、大于或等于约1.5E5cP、大于或等于约2E5cP、大于或等于约3E5cP、大于或等于约4E5cP、大于或等于约5E5cP、大于或等于约6E5cP、大于或等于约7E5cP、大于或等于约8E5cP或大于或等于约9E5cP的粘度。在另一个示例中，阳极和/或阴极糊料可具有小于或等于约200cP、小于或等于约500cP、小于或等于约1,000cP、小于或等于约1,500cP、小于或等于约2,000cP、小于或等于约10,000cP、小于或等于约20,000cP、小于或等于约50,000cP、小于或等于约1E5cP、小于或等于约1.5E5cP、小于或等于约2E5cP、小于或等于约3E5cP、小于或等于约4E5cP、小于或等于约5E5cP、小于或等于约6E5cP、小于或等于约7E5cP、小于或等于约8E5cP、小于或等于约9E5cP或小于或等于约1E6cP的粘度。
在至少一个实施方案中，阳极和阴极中的每一者或它们的活性层106、110可独立地包括可生物降解的粘结剂。可生物降解的粘结剂的功能是将相应层中的每一者的颗粒锚定在一起并提供对下面的基板的粘附，相应层是阳极集电器104、阴极集电器112、阳极活性层106、阴极活性层110或它们的组合。例示性可生物降解的粘结剂可以是或者包括但不限于脱乙酰壳多糖、聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)、明胶、黄原胶、乙酸丁酸纤维素(CAB)、聚羟基丁酸酯(PHB)或它们的组合中的一者或多者。在至少一个实施方案中，本文公开的关于电解质组合物的任何一种或多种可生物降解的聚合物也可用作阳极、阴极、它们的部件或它们的任何组合的可生物降解的粘结剂。如本文进一步描述的，一种或多种可生物降解的聚合物可以是交联的。因此，用于阳极、阴极和/或它们的部件的可生物降解的粘结剂可以包括本文关于电解质组合物公开的交联的可生物降解的粘结剂。
示例性可生物降解的电化学装置100的电解质层108可以是或者包括电解质组合物。电解质组合物可使用可生物降解的聚合物材料。电解质组合物可以是固体水性电解质组合物。固体水性电解质组合物可以是或者包含共聚物的水凝胶和分散在水凝胶中和/或整个水凝胶中的盐。该共聚物可以包含至少两条与聚合物中心嵌段(CB)连接的聚己内酯(PCL)链。例如，共聚物可以是包含至少两条与聚合物中心嵌段偶联的PCL链的嵌段共聚物或接枝共聚物，诸如PCL-CB-PCL。在另一个示例中，共聚物可以是嵌段共聚物或接枝共聚物，所述共聚物包括与聚合物中心嵌段偶联的聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚乙烯亚胺(PEI)或它们的组合中的至少一者或多者。
基于水凝胶的总重量(例如，溶剂、聚合物和盐的总重量)，共聚物或固体可以约5重量％或更大至90重量％或更小的量存在于水凝胶中。例如，基于水凝胶的总重量，共聚物可以约5重量％或更大、10重量％或更大、15重量％或更大、20重量％或更大、25重量％或更大、30重量％或更大、35重量％或更大的量存在。在另一个示例中，基于水凝胶的总重量，共聚物可以90重量％或更少、80重量％或更少、70重量％或更少、或60重量％或更少的量存在。在一个优选的实施方案中，基于水凝胶的总重量，共聚物或固体可以约5重量％至约60重量％、约5重量％至约50重量％、约20重量％至约40重量％、或约30重量％的量存在于水凝胶中。在又一个优选的实施方案中，基于水凝胶的总重量，共聚物或固体可以大于30重量％至60重量％的量存在于水凝胶中。
在某些示例中，电化学装置包括如根据本公开中详述的一种或多种方法分配的挤出的电解质组合物或层。如本文所定义的，挤出的电解质层提供了具有良好保真度的电解质层，相对于挤出的电解质层是无气泡的，具有如本文所述的足够厚度，并且具有均匀的堆积高度。均匀的堆积高度是指电解质层在一个或多个维度上具有一致的厚度。与通过其他方法沉积的电解质层(例如，根据本公开的电化学装置中的丝网印刷的电解质层)相比，此类所得物理特性是有利的。根据本公开的电化学装置的某些示例还通过非丝网印刷方法的程序来生产，因为已知用于此类电化学装置的沉积凝胶聚合物电解质层的丝网印刷方法具有与该程序相关的问题，诸如不均匀的厚度、不充分的堆积高度和凝胶聚合物电解质膜中的气泡。不均匀的厚度可能导致全印刷电池结构中的屈曲。电池中不适当的堆积高度可能导致短路，并且膜中的气泡可能导致电池结构中差的膜均匀性。生产示例性非丝网印刷的电解质组合物层的方法(诸如挤出、模塑等)和根据本公开的方法沉积的凝胶聚合物电解质层不产生具有不均匀厚度、不充分的堆积高度和与凝胶聚合物电解质膜层相关的气泡的凝胶聚合物电解质层。
共聚物可以足以提供不含或基本上不含气泡的连续膜或层的量存在于水凝胶中。共聚物也可以足以提供约1,000cP至约100,000cP的粘度的量存在于水凝胶中。例如，共聚物可以足以提供约1,000cP、约5,000cP、约10,000cP或约20,000cP至约30,000cP、约40,000cP、约50,000cP、约75,000cP、约90,000cP或约100,000cP的粘度的量存在于水凝胶中。在某些示例中，粘度可以高达1,000,000cP，如在一些阳极和阴极电池糊料中已知的。
共聚物的聚合物中心嵌段可以是可生物降解的聚合物，从而改善或增加固体水性电解质组合物的生物降解性。聚合物中心嵌段的可生物降解的聚合物优选是天然存在的。聚合物中心嵌段可以是或者包括或者衍生自聚合物，诸如可生物降解的聚合物，包括至少两个可用于与ε-己内酯反应的游离羟基基团。如本文进一步所述，包含至少两个游离羟基基团的聚合物可与ε-己内酯反应以形成共聚物。可用于形成聚合物中心嵌段(CB)的包含至少两个游离羟基基团的例示性聚合物包括但不限于聚乙烯醇(PVA)、带有羟基的多糖、可生物降解的聚酯、羟基脂肪酸(例如蓖麻油)等或它们的组合中的一者或多者。例示性的带有羟基的多糖可以是或者包括但不限于淀粉、纤维素、羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟乙基纤维素、甲壳质、瓜尔胶、黄原胶、琼脂、支链淀粉、直链淀粉、藻酸、葡聚糖等或它们的组合。例示性的可生物降解的聚酯可以是或者包括但不限于聚丙交酯、聚乙醇酸、聚丙交酯-共-乙醇酸、聚衣康酸、聚丁二酸丁二醇酯等或它们的组合。在一个优选的实施方案中，聚合物中心嵌段可以是或者包括聚乙烯醇(PVA)、带羟基的多糖、可生物降解的聚酯或羟基脂肪酸中的一者或多者。
在至少一个示例中，共聚物的聚合物中心嵌段可以不是可生物降解的聚合物。例如，共聚物的聚合物中心嵌段可以是或者包括但不限于聚乙二醇(PEG)、羟基封端的聚酯、羟基封端的聚烯烃(诸如羟基封端的聚丁二烯)等或它们的组合。
包括至少两条键合到聚合物中心嵌段的聚己内酯(PCL)链的共聚物可以是接枝共聚物或嵌段共聚物。共聚物是接枝共聚物还是嵌段共聚物可以至少部分地由聚合物中心嵌段的至少两个游离羟基基团的数目和/或位置决定。例如，使ε-己内酯与沿着聚合物中心嵌段链的长度在单体上具有羟基基团的聚合物中心嵌段反应形成接枝共聚物。在另一个示例中，使ε-己内酯与在聚合物中心嵌段的相应末端具有每个羟基基团的聚合物中心嵌段反应形成嵌段共聚物。例示性的嵌段共聚物可以是或者包括三嵌段共聚物、四嵌段共聚物、星形嵌段共聚物或它们的组合。
如上所述，电解质组合物可以是包含共聚物的水凝胶和分散在水凝胶中的盐的固体水性电解质组合物。水凝胶的盐可以是或者包括在本领域中已知的任何合适的离子盐。例示性离子盐可以是或者包括但不限于有机基盐、无机基盐、室温离子液体、深共熔溶剂基盐等，或它们的组合或混合物中的一者或多者。在一个优选的实施方案中，该盐是或者包括可用于锌/氧化锰(IV)(Zn/MnO2)电化学的盐。例示性盐可以是或者包括但不限于氯化锌(ZnCl2)、氯化铵(NH4Cl)、氯化钠(NaCl)、磷酸盐缓冲盐水(PBS)、硫酸钠(Na2SO4)、硫酸锌(ZnSO4)、硫酸锰(MnSO4)、氯化镁(MgCl2)、氯化钙(CaCl2)、氯化铁(FeCl3)、六氟磷酸锂(LiPF6)、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等，或它们的组合。在一个优选的实施方案中，电解质组合物的盐可以是或者包括氯化铵(NH4Cl)、氯化锌(ZnCl2)或它们的组合或混合物。在另一个实施方案中，该盐可以是或者包括碱金属盐，诸如氢氧化钠(NaOH)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化钾(KOH)或它们的组合或混合物。
盐可以能够、被构造成或足以提供离子电导率的量存在。例如，盐可以至少0.1M，更优选地至少0.5M，甚至更优选地至少2M，甚至更优选地至少4M的量或浓度存在于水凝胶中。该盐可以10M或更低，更优选地6M或更低的浓度存在于水凝胶中。在另一个示例中，盐可以约3M至约10M、约4M至约10M、约5M至约9M或约6M至约8M的量存在于水凝胶中。在一个示例性实施方式中，该盐包括氯化铵和氯化锌，其中氯化铵以约2.5M至约3M、约2.8M至约2.9M、或约2.89M的量存在，并且其中氯化锌以约0.5M至1.5M、约0.8M至约1.2M、或约0.9M的量存在。
在至少一个实施方案中，电解质组合物可以包含一种或多种添加剂。一种或多种添加剂可以是或者包括但不限于可生物降解的或环境友好的纳米材料。可生物降解的纳米材料能够或构造成提供和/或改善电解质层或其电解质组合物的结构强度，而不牺牲电解质层或其电解质组合物的柔性。添加剂的例示性可生物降解的纳米材料可以是或者包括但不限于多糖基纳米材料、无机纳米材料等或它们的组合。例示性多糖基纳米材料可以是或者包括但不限于纤维素纳米晶体、甲壳质纳米晶体、脱乙酰壳多糖纳米晶体、淀粉纳米晶体等，或它们的组合或混合物中的一者或多者。例示性无机纳米材料可以是或者包括但不限于氧化硅(例如，热解法二氧化硅)、氧化铝、层状硅酸盐或石灰、或它们的组合或混合物中的一者或多者。
基于水凝胶的总重量，一种或多种添加剂可以至少0.1重量％的量存在。例如，基于水凝胶的总重量，一种或多种添加剂可以至少0.1重量％、至少0.5重量％或至少1重量％的量存在。基于水凝胶的总重量，一种或多种添加剂还可以40重量％或更少的量存在。例如，基于水凝胶的总重量，一种或多种添加剂可以40重量％或更少、20重量％或更少、或10重量％或更少的量存在。
在至少一个实施方案中，电解质组合物可以包含水性溶剂。例如，电解质组合物可以包含水。在至少一个实施方案中，电解质组合物可以包含共溶剂。例如，电解质组合物可以包含水和另外的溶剂。例示性共溶剂可以是或者包括但不限于乙二醇、丙二醇、二乙二醇、二丙二醇或它们的组合中的一者或多者。共溶剂可以包括按电解质组合物的水性溶剂的总重量或体积计大于约20％、大于约30％、大于约40％、大于约50％至大于约60％、大于约70％、大于约80％、大于约85％或大于约90％的量的水。
在至少一个实施方案中，电解质组合物包含共聚物的水凝胶和分散在水凝胶中的盐、溶剂(例如水或水和共溶剂)、一种或多种光引发剂、任选的一种或多种添加剂或它们的组合。例如，电解质组合物包含共聚物的水凝胶、分散在水凝胶中的盐、溶剂、一种或多种添加剂、或它们的组合或混合物。在至少一个实施方案中，电解质组合物由共聚物的水凝胶、分散在水凝胶中的盐和溶剂(例如，水或水和共溶剂)组成或基本上由以上各项组成。在另一个实施方案中，电解质组合物由共聚物的水凝胶、分散在水凝胶中的盐、溶剂和一种或多种添加剂组成或基本上由以上各项组成。可以是水或水和共溶剂的组合的溶剂可以提供水凝胶的平衡。在国际申请PCT/US2020/046932中公开了合适的电解质组合物及其生产方法和程序，该国际申请的公开内容特此全文以引用方式并入本文。
如前所述，示例性可生物降解的电化学装置100的电解质层108可以是或者包括固体水性电解质组合物。固体水性电解质组合物可具有商业印刷电池或商业上有用的印刷电池所必需的足够的机械和电化学性质。例如，固体水性电解质组合物可具有大于约0.10兆帕(MPa)、大于约0.15MPa或大于约0.20MPa的杨氏模量或储能模量，从而为固体水性电解质组合物提供足够的强度，同时保持足够的柔性以防止在应力下断裂。固体水性电解质组合物可具有小于或等于约100MPa、小于或等于约80MPa、小于或等于约60MPa或更小的杨氏模量。
如本文所用，术语或表述“屈服强度”可指在材料开始永久变形之前材料可经历或接收的最大应力。固体水性电解质组合物可具有约5kPa或更大的屈服强度。例如，固体水性电解质组合物可具有约5kPa或更大、约8kPa或更大、约10kPa或更大、约12kPa或更大、约15kPa或更大、或约20kPa或更大的屈服强度。
固体水性电解质组合物可对于示例性可生物降解的电化学装置100的阳极活性层106和阴极活性层110两者是电化学稳定的。例如，固体水性电解质组合物可在延长的时间段内保持稳定的开路电压，从而证明对示例性可生物降解的电化学装置100的阳极活性层106和阴极活性层110的电化学稳定性。在至少一个实施方案中，固体水性电解质组合物可在与电极层接触时电化学稳定至少一个月、至少两个月、至少三个月、至少四个月、至少五个月、至少六个月、至少一年或更长。
本文公开的固体水性电解质组合物可用于任何电化学装置，诸如电化学电池、电池和/或本文公开的可生物降解的电化学装置100。在一个优选的实施方案中，固体水性电解质组合物可用于包括Zn阳极活性层和MnO2阴极活性层的电池中。
示例性可生物降解的电化学装置100的集电器104、112能够或被构造成接收、传导和输送电力。例示性集电器104、112可以是或者包括但不限于银(诸如银微粒和银纳米颗粒)、碳(诸如炭黑)、石墨、碳纤维、碳纳米颗粒(诸如碳纳米管)、石墨烯、还原的氧化石墨烯(RGO)等，或它们的任何组合。
图2示出了根据本公开的能够分配用于电化学装置的凝胶聚合物电解质层的挤出装置的示意图。虽然这是适用于分配用于电化学装置的凝胶聚合物电解质层的挤出装置200的示例性示意图，但是可以采用根据本公开的分配凝胶聚合物电解质层的其他方式。挤出装置200包括能够经由通信导线204向挤出装置200的其余部分传送方向的计算机处理单元202。挤出装置200包括用于调节进入泵208中的空气或材料流的压力或流量控制器206，该泵连接到分配头212并向其输送材料，诸如凝胶聚合物电解质。分配头212具有喷嘴214，材料通过该喷嘴被输送到基板220。根据指令，包括材料的流速、分配的材料的图案化或从计算机处理单元202接收的其他指令，x轴电机218、y轴电机216和z轴电机210分别沿x轴移动226、y轴移动228和z轴移动224平移基板和/或分配头212。这种移动和从计算机处理单元202接收的指令在基板220上提供了沉积或分配的凝胶聚合物电解质222的期望图案和数量。
本公开的示例性示例可提供用于制造电化学装置的方法，并且特别是提供用于电化学装置的凝胶聚合物电解质层。图3示出了根据本公开的用于为电化学装置提供凝胶聚合物电解质层的方法的示意图。提供用于电化学装置300的凝胶聚合物电解质层的方法包括提供具有集电器304的基板302，该集电器可根据电化学装置的制造顺序包括连接到其上的阳极或阴极。分配喷嘴306将凝胶聚合物电解质流308以预定图案提供到集电器304的表面上。在示例中，图案可以是连续的或非连续的。沉积的凝胶聚合物电解质层310以图案形式分配，并且可以沿凝胶聚合物电解质312的图案化或沉积的方向施加在集电器304的表面上。在聚结步骤314期间，允许沉积的凝胶聚合物电解质308沉降并平整。聚结的凝胶聚合物电解质层316然后存在于集电器304的表面上，同时留下集电器304的一部分暴露以用于电化学装置的内部部件与外部部件、连接件或其他电化学装置之间的连接或连续性。在固化工艺步骤318期间，聚结的凝胶聚合物电解质层316转变成固化的凝胶聚合物电解质组合物层320。固化可以通过多种方式完成，包括紫外线或其他辐射暴露。另选地，固化可以通过红外辐射、热暴露、或暴露于与交联剂或交联分子组合的升高的温度来实现。沉积的凝胶聚合物电解质层310可以凝胶聚合物电解质312的图案或沉积形式以横向非连续图案分配在集电器304的表面上。电解质层的横向非连续图案是指具有在与电化学装置的构造一致的横向平面内不一定彼此接触的特征或物理接触点的图案。这种横向非连续图案提供了隔离或引导电解质放置的位置以及因此的活动的可能性，使得制造方法能够提供待连续制造的多个电化学装置结构。当凝胶聚合物电解质以所述方式制造或沉积时，图案也可以从一个电化学装置到另一个电化学装置以可变方式沉积。任选的交联剂可包括水溶性丙烯酸酯，诸如PEG-二丙烯酸酯和EOTMPTA(乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯)。
凝胶聚合物电解质的示例性制剂可包括以下组成。如表1所示，在水中制备凝胶聚合物电解质组合物。
组分 质量(g) 重量％
GPE聚合物 18 31.0
电解质(水中的盐) 40 68.9
LAP(光引发剂) 0.04 0.06
总计 58.04 100.0
表1.凝胶聚合物电解质组合物
GPE聚合物是具有以下所示的通用结构的接枝聚合物：
GPE聚合物的示例性示例是PVA主聚合物链，具有如下结构中所示的PCL侧基或侧链：
图4是根据本公开的用于电化学装置的挤出凝胶聚合物电解质层的照片。照片400示出了利用类似于图2的挤出装置的系统的过程。如图所示，根据本公开的方法、程序和材料，在将凝胶聚合物电解质406沉积到基板408上的过程期间，示出了具有分配喷嘴404的分配头402。如图4所示的凝胶挤出的示例性示例可以使用Hyrel Hydra 16A 3D打印机进行，该打印机能够操作多种打印头来分配不同类型的材料，诸如但不限于长丝、糊料等。例如，将使用10ml一次性注射器来分配材料的SDS-10打印头放置在打印机的工具轭上的槽中。然后将使用可UV固化的GPE(凝胶聚合物电解质)的如表1中所示的制剂的水性溶液装载到具有0.8mm直径鲁尔锁尖(Luer lock tip)的10ml注射器中，并将该注射器装载到SDS-10印刷头中。使用较大体积、集成加热或UV交联印刷头的注射器、组件或印刷头也可用于类似方法中。使用OpenScad软件创建3D对象并导出为STL文件格式来构造待打印的简单固体填充，尽管可以使用本领域已知的任何此类程序。图4中所示的物体尺寸为38mm×40mm内壁以及0.5mm高。所使用的附加参数是使用Slic3r切片软件产生g码，其中大多数是默认参数。对于图4中的示例，将印刷速度设定为10mm/s，层高设定为0.5mm并且100％填充。
根据本公开的一种或多种示例性方法可用于生产如本文所公开的可生物降解的电化学装置的部分或完整的可生物降解的电化学装置。根据本公开的方法可以包括提供可生物降解的基板。该方法还可包括将电极和/或电极组合物沉积在可生物降解的基板附近或其上。沉积电极可以包括沉积并干燥电极的集电器，以及沉积并干燥与集电器相邻或在集电器上的活性层(即，阳极或阴极材料)。该方法还可包括干燥电极和/或电极组合物。电极组合物可以被热干燥(例如，加热)。该方法还可包括将可生物降解的可辐射固化的电解质组合物沉积在电极组合物上或其附近。该方法还可包括辐射固化可生物降解的可辐射固化的电解质组合物。可在干燥电极组合物之前或之后辐射固化可生物降解的可辐射固化的电解质组合物。可生物降解的基板可与任选的热干燥热相容。例如，当热干燥时，可生物降解的基板可以是尺寸稳定的(例如，没有屈曲和/或卷曲)。该方法可以包括将第二电极和/或电极组合物沉积在可生物降解的可辐射固化的电解质组合物上或其附近。在至少一个实施方案中，第一电极组合物和第二电极组合物中的每一者为金属箔组合物。第一电极的金属箔组合物可以不同于第二电极的金属箔组合物。
在至少一个示例中，电化学装置、其所有部件或其基本上所有部件经由印刷工艺制造。印刷工艺可以包括沉积、压印、喷涂、溅射、喷射、涂覆、分层等。例如，可通过印刷工艺沉积一种或多种集电器、一种或多种电极组合物、可生物降解的可辐射固化的电解质组合物或它们的组合。例示性印刷工艺可以是或者包括但不限于丝网印刷、喷墨印刷、柔性版印刷(例如，印花)、凹版印刷、胶版印刷、气刷、气溶胶印刷、排字、辊到辊方法等，或它们的组合中的一者或多者。在一个优选的实施方案中，电化学装置的部件通过丝网印刷来印刷。
在至少一个示例中，辐射固化可生物降解的可辐射固化的电解质组合物包括将电解质组合物暴露于辐射能。辐射能可以是紫外光。将可生物降解的可辐射固化的电解质组合物暴露于辐射能可至少部分地交联可生物降解的可辐射固化的电解质组合物，从而形成水凝胶。可生物降解的可辐射固化的电解质组合物可在室温处辐射固化。在至少一个实施方案中，可生物降解的可辐射固化的电解质组合物在惰性气氛处固化。例如，可生物降解的可辐射固化的电解质组合物可在氮气、氩气等下固化。在另一个实施方案中，可生物降解的可辐射固化的电解质组合物可在非惰性气氛中固化。
在至少一个示例中，可生物降解的可辐射固化的电解质组合物可在约5ms至约100ms的时间段内辐射固化。例如，可生物降解的可辐射固化的电解质组合物可在约5ms、约10ms、约15ms、约20ms、约30ms、约40ms或约50ms至约60ms、约70ms、约80ms、约85ms、约90ms、约95ms或约100ms的时间段内辐射固化。足以使可生物降解的可辐射固化的电解质组合物辐射固化的时间段可至少部分地由UV光的功率输出决定。
在至少一个示例中，该方法还可包括沉积粘合剂(诸如可生物降解的粘合剂)，从而提供示例性可生物降解的电化学装置的一个或多个密封件。例如，该方法可以包括沉积粘合剂层以将电化学装置的基板或基板的一部分(例如，突出部周围的区域)彼此联接。在一些示例中，粘合剂可以是热熔性粘合剂。在另一个示例中，电化学装置可以不含或基本上不含任何粘合剂。例如，可生物降解的基板可以是可焊接的和/或可热封的，而不使用另外的粘合剂。
在至少一个示例中，可生物降解的基板可以是连续幅材，或者可以由连续幅材支撑。如本文所用，术语“幅材”可指移动支撑表面，诸如传送带。在至少一个示例中，多个电化学装置作为独立或连接的元件或部件同时印刷在连续幅材上。例如，多个电化学装置的相应部件可在并行过程中以阵列形式作为独立或连接的部件同时印刷在连续幅材上。如本文所用，术语或表述“连接的元件”或“连接的部件”可分别指电化学装置的彼此物理接触、重叠或以其他方式接触的元件或部件。例示性连接元件可以是或者包括活性层(例如，阴极活性层或阳极活性层)，所述活性层与集电器层、集电器层和铜带突出部相邻设置或设置在其顶部上；或电解质层，所述电解质层设置在活性阴极/阳极层的顶部上。
在示例性可生物降解的电化学装置的至少一个示例中，其固体水性电解质及其合成和制造方法是可用的，需要以高保真度和精确度印刷各种材料(包括集电器、阴极/阳极材料、粘结剂、粘合剂和电解质)的层。此外，通过保持溶解盐将水分保留在水性电解质内以获得良好的离子电导率对于电池性能至关重要，并且印刷的可生物降解或可堆肥电池(诸如这些电池)由于通过可生物降解的基板(其可以是聚乳酸(PLA)膜)的蒸发的水损失而使寿命缩短。此类电化学装置可具有可生物降解的聚合物复合膜包封袋，该包封袋具有可生物降解的阻隔层。例示性可生物降解的包封材料可以是或者包括但不限于聚乳酸(PLA)、聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)、丝纤蛋白、脱乙酰壳多糖、聚己内酯(PCL)、聚羟基丁酸酯(PHB)、米纸、纤维素或它们的组合或复合物中的一者或多者。
在至少一个示例中，包括阳极、阴极和电解质组合物的柔性可生物降解的电化学装置可具有可生物降解的水分或水蒸气阻隔层或在电化学装置的外部周围形成外壳、膜或袋以防止存在于水性电解质材料内的水分蒸发的阻隔层，所述电解质组合物包含在交联之前可辐射固化，印刷在阳极和阴极之间的交联的可生物降解的聚合物材料。在此类示例中，由于整个电化学装置是可生物降解的，该装置可以由于包封袋的改进的水蒸气阻隔或水分阻隔层特性而具有延长的使用寿命，并且一旦其使用寿命结束，则该装置是可生物降解的和/或可生物降解的。可生物降解的水蒸气阻隔层或外壳的功能是提供水分阻隔层以阻止水从电化学装置内的水性电解质组合物中蒸发，从而延长电化学装置的使用寿命。应注意，关于本文所述的水蒸气阻隔层或水分阻隔层，虽然电化学装置的某些示例可具有大量的水或水分，但其他溶剂或可蒸发材料也可有助于包封在本公开的水蒸气阻隔层内的电化学装置的长时间的且可接受的操作。
相应的可生物降解的电化学装置的可生物降解的水蒸气阻隔层在约50℃至约150℃的温度处可以是稳定的。如本文所用，术语“稳定的”或“稳定性”可指基板在暴露于约50℃至约150℃的温度时抵抗尺寸变化并保持结构完整性的能力。例如，在暴露于约50℃至约150℃的温度后，可生物降解的水蒸气阻隔层能够或并构造成保持结构完整性，其中尺寸变化小于约20％、小于约15％或小于约10％。在一个示例中，可生物降解的水蒸气阻隔层中的每个阻隔层在约50℃、约60℃、约70℃、约80℃、约90℃、约100℃或约110℃至约120℃、约130℃、约140℃、或约150℃的温度处可以是稳定的(例如，尺寸变化小于20％)。在另一个示例中，可生物降解的水蒸气阻隔层中的每个阻隔层在至少100℃、至少105℃、至少110℃、至少115℃、至少120℃、至少125℃、至少130℃、至少135℃、至少140℃或至少145℃的温度处可以是稳定的。在至少一个实施方案中，可生物降解的水蒸气阻隔层可在约50℃至约150℃的温度处稳定约5min至约60min或更长的时间。例如，可生物降解的水蒸气阻隔层可在上述温度处稳定约5min、约10min、约20min或约30min至约40min、约45min、约50min、约60min或更长的时间。
在至少一个实施方案中，可生物降解的水蒸气阻隔层材料是可焊接的、可粘结的和/或可永久热密封的，而不使用另外的粘合剂。例如，本文所述的用于电化学装置外壳的可生物降解的水蒸气阻隔层可以是彼此可焊接的和/或可粘结的，而不使用相应的密封件。可以彼此可焊接和/或可粘结的例示性可生物降解的水蒸气阻隔层材料可以是或者包括但不限于热塑性塑料，诸如聚乳酸(PLA)；用成核剂改性以增强结晶度的聚丙交酯、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、PLA和聚羟基丁酸酯(PHB)的共混物、基于PHB的共混物等，或它们的组合。如本文所用，术语或表述“可粘结的”、“可焊接的”和/或“可永久热密封的”可指材料(例如，基板)将两个表面彼此热密封或经由加热或熔融将两个表面彼此永久接合的能力。
在一些示例中，可生物降解的外壳、袋或水蒸气阻隔层可由金属化的、可生物降解的聚乳酸(PLA)膜制成，诸如铝金属化的聚乳酸膜。提供金属化的金属表面层可以是铝。在某些示例中，金属化层可以包括铝、其他合适的金属或合金、陶瓷、粘土、无机-有机生物聚合物的混合材料、以及它们的组合。替代示例可以具有多层金属、多层膜的内层上的金属、外层上的金属或两者。PLA膜可以是双轴取向的，以改善包封袋的物理性质。还有其他示例可以将添加剂掺入膜中，从而提供增强的水分阻隔特性。在替代示例中，用于电化学装置的可生物降解外壳、袋或水蒸气阻隔层可具有单层或具有一种或多种材料的组合的多层。单层膜或阻隔层的总体厚度可为约20微米至约100微米、约40微米至约80微米、或约50微米至约75微米。水蒸气阻隔层的金属化层在基膜层如PLA上的厚度可以为约0.5nm至约100nm、约5nm至约50nm、或约5nm至约25nm。
在某些示例中，可以使用已知具有水蒸气阻隔性质的其他材料。这些材料必须符合可生物降解和/或可堆肥的形式，并且包括诸如蜂蜡、增塑剂和可替代的可生物降解的聚合物复合膜的材料。在其中水蒸气阻隔层不是电化学装置的基板的一部分的替代装置中，可以使用与具有较宽耐温范围的可生物降解材料、聚合物或复合材料相比具有较高温度稳定性和耐受性的水蒸气阻隔层。与不具有这种阻隔层、层或外壳的电化学装置相比，具有可生物降解的外壳或具有水分阻隔特性的水蒸气阻隔层的电化学装置的示例可表现出降低的水蒸气透过率(WVTR)。
在一些示例中，电化学装置可被布置成使得电池或电化学装置容纳在外壳中或完全容纳在如所描述的具有改善的水蒸气阻隔特性的水蒸气阻隔层内，并且被定向或布置成使得阴极和阳极为并排或横向X-Y平面几何形状。在替代装置中，电化学装置可以被布置成使得电池或电化学装置容纳在如所描述的具有改善的水蒸气阻隔特性的外壳中，并且被定向或布置成使得阴极和阳极为堆叠的几何形状，如图1中所示。
本公开的示例可提供用于制造、生产或以其他方式封装具有改善的水分阻隔特性或水蒸气阻隔特性的电化学装置的方法。该方法可包括取向具有四个边缘的第一金属化PLA膜和具有四个边缘的第二金属化PLA膜，使得第一金属化PLA膜的非金属化侧面向第二金属化PLA膜的非金属化侧。第一金属化PLA膜和第二金属化PLA膜的一个或多个边缘可以密封在一起。可生物降解或可堆肥的电化学装置可放置在第一金属化PLA膜和第二金属化PLA膜之间，随后将第一金属化PLA膜的边缘和第二金属化PLA膜的边缘密封在一起，使得电化学装置的一个或多个电极通过四个边缘中的至少一个暴露。
另选地，该方法可以包括在电化学装置的顶侧上取向具有四个边缘的第一金属化PLA膜，使得非金属化侧面向电化学装置的步骤。第二金属化PLA膜在电化学装置的底侧上取向，使得非金属化侧面向电化学装置。第一金属化PLA膜的所有四个边缘和第二金属化PLA膜的四个边缘可以被密封在一起，使得一个或多个电极通过四个边缘中的至少一个暴露。以这种方式由可生物降解的镀铝聚合物阻隔层结合表面涂层和/或聚合物添加剂制造的外壳或水蒸气阻隔层可以减少或防止水蒸气从可生物降解或可堆肥的电化学装置中损失。此类装置可通过防止电解质溶剂随时间蒸发而显著延长可生物降解或可堆肥电化学装置的使用寿命。
图5示出了根据本公开的用于生产电化学装置的电解质层的方法。生产电化学装置的电解质层的方法500包括制备用于电化学装置的基板的初始步骤502，其中该基板包括电极。接下来，生产电化学装置的电解质层的方法500包括将电解质组合物从挤出分配器分配到基板上并与电极接触504，以及固化电解质组合物506。根据电解质组合物，固化可以包括使电解质组合物经受紫外线辐射、使电解质组合物经受高温、使用另一种固化方法或它们的组合。在示例性示例中，电解质组合物包含凝胶聚合物电解质，并且还可包含共聚物的水凝胶和分散在共聚物的水凝胶中的盐。电解质组合物另选地包含稀释剂以调节电解质组合物的粘度。用于电解质组合物中的稀释剂的示例性示例可包括水或如本文所述的其他稀释剂。在生产电化学装置的电解质层的方法500中使用的电解质组合物的粘度可以为约1,000cP至约100,000cP。电解液组合物的其他例示性示例可以包括光引发剂，并且在一些示例中可以包括苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂。电解质组合物可以包括具有粘结剂聚合物和第一部分的稀释剂的第一部分以及具有光引发剂和第二部分的稀释剂的第二部分。在生产电化学装置的电解质层的方法500中使用的电解质组合物的某些示例可以包括交联剂，并且因此电解质组合物可包括具有粘结剂聚合物和第一部分的稀释剂的第一部分以及具有交联剂和第二部分的稀释剂的第二部分。生产电化学装置的电解质层的方法500可以包括在分配电解质组合物之前混合电解质组合物的步骤，并且在一些示例中，使用静态搅拌器。生产电化学装置的电解质层的方法500可一包括根据特定图案分配电解质组合物。生产电化学装置的电解质层的方法500可以包括在分配之后暂停以允许电解质组合物在环境条件下聚结。
图6示出了根据本公开的用于生产电化学装置的电解质层的方法。生产电化学装置的电解质层的方法600开始于制备用于电化学装置的基材的步骤602，所述基材具有电极，随后是混合包含具有粘结剂聚合物的第一部分和具有光引发剂的第二部分的可生物降解的电解质组合物的步骤604。电解质组合物可以包括如本文先前所述的任何电解质组合物。生产电化学装置的电解质层的方法600还包括将可生物降解的电解质组合物从具有静态搅拌器的挤出分配器分配到基板上并与电极接触的步骤606以及使可生物降解的电解质组合物经受紫外线辐射的步骤608。在生产电化学装置的电解质层的方法600中使用的可生物降解的电解质组合物可以包含可生物降解的聚合物粘结剂和水性组分。
图7示出了根据本公开的用于生产电化学装置的电解质层的方法。生产电化学装置的电解质层的方法700包括制备用于电化学装置的基板的步骤702，该基板具有电极，随后是根据横向非连续图案将电解质组合物从挤出分配器分配到基板上并与电极接触的步骤704，以及最后固化电解质组合物的步骤706。电解质层的横向非连续图案是指具有在与电化学装置的构造一致的横向平面内不一定彼此接触的特征或物理接触点的图案。这种横向非连续图案提供了隔离或引导电解质放置的位置以及因此的活动的可能性，使得制造方法能够提供待连续制造的多个电化学装置结构。
虽然已经相对于一个或多个具体实施示出了本教导内容，但是可以对所示示例做出改变和/或修改，而不脱离所附权利要求的精神和范围。例如，应当理解，虽然所述过程被描述为一系列动作或事件，但本教导内容不受此类动作或事件的排序的限制。一些动作可按不同顺序发生和/或与除本文所述的那些以外的其他动作或事件同时发生。另外，不需要所有的过程阶段来实现根据本教导内容的一个或多个方面或实施方案的方法。应当理解，可添加结构物体和/或处理级，或者可以移除或修改现有的结构物体和/或处理级。此外，本文所描绘的动作中的一者或多者可在一个或多个单独的动作和/或阶段中执行。此外，如果术语“包括”、“包含”、“具有”、“带有”或其变体用于具体实施方式和权利要求中，则此类术语旨在以类似于术语“包括”的方式呈包括性。术语“……中的至少一者”用来指可选择所列项目中的一者或多者。此外，在本文的讨论和权利要求中，相对于一者在另一者“上”的两个材料使用的术语“在……上”意指这两个材料之间的至少一些接触，而“在……上方”意指这两个材料接近，但可能有一个或多个附加居间材料，使得接触是可能的但非必需。“在……上”和“在……上方”均不暗示如本文所用的任何方向性。术语“保形的”描述了底层材料的角度因保形材料而得以保留的涂层材料。术语“约”指示可略微改变所列的值，只要所述改变不会导致所述过程或结构与所示的实施方案不符即可。术语“耦接”、“连接”和“与……连接”是指“与……直接连接”或“经由一个或多个中间元件或构件与……连接”。最后，术语“示例性”或“例示性”指示所述描述用作示例，而非暗示其是理想的。通过考虑本说明书并实践本文公开内容，本教导内容的其他实施方案对于本领域技术人员可以是显而易见的。旨在仅将本说明书和示例视为示例性的，而本教导内容的真实范围和精神由以下权利要求指示。

Claims (20)

1.一种电化学装置，所述电化学装置包括：
阳极；
阴极；以及
设置在所述阳极和所述阴极之间的挤出的电解质组合物。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述阴极和/或所述阳极以堆叠的几何形状设置。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述阴极和/或所述阳极以横向X-Y平面几何形状设置。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电解质组合物包含凝胶聚合物电解质。
5.根据权利要求4所述的电化学装置，其中所述凝胶聚合物电解质包含共聚物的水凝胶和分散在共聚物的所述水凝胶中的盐。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电解质组合物包含交联剂。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电解质组合物包含光引发剂。
8.根据权利要求7所述的电化学装置，其中所述光引发剂包括苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基次膦酸锂。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电解质组合物以横向非连续图案设置在所述阳极和所述阴极之间。
10.一种电化学装置，所述电化学装置包括：
阳极；
阴极；以及
设置在所述阳极和所述阴极之间的非丝网印刷的电解质组合物。
11.一种组合物，所述组合物包含挤出的电解质组合物。
12.根据权利要求11所述的组合物，其中将所述挤出的电解质组合物掺入电化学装置中，其中所述电化学装置包括电池。
13.一种生产电化学装置的电解质层的方法，所述方法包括：
制备用于电化学装置的基板，所述基板具有电极；
将电解质组合物从挤出分配器分配到所述基板上并与所述电极接触；以及
固化所述电解质组合物。
14.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，其中所述电解质组合物包含凝胶聚合物电解质，所述凝胶聚合物电解质包含共聚物的水凝胶和分散在共聚物的所述水凝胶中的盐。
15.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，其中所述电解质组合物包含稀释剂以调节所述电解质组合物的粘度。
16.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，其中所述电解质组合物包含光引发剂。
17.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，所述方法还包括在分配电解质组合物之前混合所述电解质组合物。
18.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，其中根据特定图案分配所述电解质组合物。
19.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，所述方法还包括在分配之后暂停以允许所述电解质组合物在环境条件下聚结。
20.根据权利要求13所述的生产电化学装置的电解质层的方法，其中固化包括使所述电解质组合物经受紫外线辐射。
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