CN1630120A - 具有纳米结构电极表面的电润湿电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种方法和装置，其中，电池包括具有至少一个纳米结构表面的电极。纳米结构表面以下述方式设置：防止电池的电解液接触电极，由此防止当电池不用时电池放电。当电压施加在纳米结构的表面上时，使电解液渗入纳米结构表面并与电极接触，由此激活电池。在一个示意性实施例中，电池是电子封装的集成部分。在另一实施例中，将电池制成单独装置并与电子封装接触。在又一实施例中，把电子封装和附带电池设置在用作军事目标装置的射弹中。

Description

具有纳米结构电极表面的电润湿电池

技术领域

本发明总体涉及电池，尤其涉及具有至少一个纳米结构电极表面的电池。

背景技术

在无数应用中的许多有益的装置或结构依靠电池作为电源。如图1所示，示意性的液体单元电池101的特征在于：电解液102具备如下的作用过程：使电荷在正极104和负极105之间以方向103流动。当把这种电池101插入带有示意性负载108的电路106中时，它完成了让电子以方向107围绕电路106均匀流动的回路。正极由此从外电路106接收电子。然后这些电子以还原反应方式与正极104的材料进行反应，产生了电荷经过电解液102中的离子向负极105的流动。在负极105处，在负极104的材料和流过电解液102的电荷之间的氧化反应产生了过剩的电子，这些电子被释放到外电路106。

随着上述过程的继续，正极和负极104和105的活性材料最终分别被耗尽，反应速度减慢直至电池不能再提供电子。在此点处电池放电。众所周知，即使当液体单元电池不插入电路中时，也经常存在与电极104和105的低电平反应，最终耗尽电极材料。因此，即使当电池不是在电路中以活性方式使用，它也可能在一段时间后被耗尽。此时间段根据所用的电解液和电极材料而变化。

发明内容

我们已经认识到，本发明的最大优势在于能够防止电池在没有使用的情况下放电。此外的优点在于当电池开始放电时能够变化性地进行控制。

因此，我们发明了一种方法和装置，其中，电池包括具有至少一个纳米结构表面的电极。纳米结构的表面以如下的方式设置：防止电池的电解液与电极接触，这样，在电池没有使用时，防止了电池的放电。当把电压施加在纳米结构的表面上时，使得电解液透过纳米结构的表面并与电极接触，由此活化电池。因此，当将活化后的电池插入电路中时，电子沿电路流动。

在一个示意性实施例中，电池是电子封装的一个集成部分。在另一个实施例中，将电池制造成单独构件，然后使电池与电子封装接触。在又一个实施例中，在用作军事目标设备的射弹中设置电子封装和相连接的电池。

附图说明

图1表示在电路中使用的原有技术的液体单元电池；

图2表示原有技术的纳米柱(nanopost)表面；

图3A、3B、3C、3D和3E表示适合于用在本发明中的预定纳米结构的各种原有技术的纳米结构部件图形；

图4表示图3C的原有技术纳米结构部件图形的更详细的示图；

图5A和5B表示根据本发明原理的装置，由此采用电润湿原理以使液滴透过纳米结构部件图形；

图6表示图5A和5B的纳米结构部件图形的示意性纳米柱的详图；

图7表示根据本发明原理的示意性液体单元电池，其中，电池中的电解液通过纳米结构与负极隔离；

图8表示图7的示意性电池，其中，使电池中电解液透过纳米结构，由此与负极接触；

图9A和9B表示在具有一个或多个激光器的电路中分别使用图7和8的电池的示意性实施例；

图10A和10B表示如何将图9A和9B的示意性实施例中的多个装置设置在容器中例如射弹中；和

图11表示如何将图10A和10B的射弹用作激光器指定目标。

具体实施方式

图2表示示意性纳米柱图形201，各纳米柱209具有小于1微米的直径。虽然图2表示以略微圆锥状形成的纳米柱209，但是也可采取其它形状和尺寸。实际上，已经制造出圆柱状纳米柱阵列，各纳米柱具有小于10nm的直径。具体而言，图3A-3E表示利用各种方法生产的纳米柱的不同示意性阵列，进一步表示这些不同直径的纳米柱可按不同程度的规律性进行设置。此外，这些附图表明，可以生产出具有由不同距离隔开的各种直径的纳米柱。于2001年2月13日公开的、Tonucci等人的、题目为“纳米柱阵列及其制造方法”的美国专利US6185961描述了一种生产纳米柱的示意性方法，在此将这篇专利的全部内容引作参考。可通过各种方法制造纳米柱，例如，利用模板形成纳米柱，各种平版印刷方式和各种刻蚀方法。

图4表示图3C的现有技术示意性表面401，具有在基底上设置的纳米柱402的纳米结构部件图形。通过这里的描述，本领域的技术人员将认识到：应用于纳米柱或纳米结构的相同原理可同样应用于在部件图形中的微米柱或其它更大的部件。图4的表面401和纳米柱402示意性地由硅制成。图4的纳米柱402示意性地表示为：直径约350nm，高度约6μm，中心与中心相距约4μm。对于本领域的技术人员而言，可将这些阵列制造成规则间隔或作为选择制造成不规则间隔是显而易见的。

除非另有说明，否则在此采用的“纳米结构”是一种具有至少一个低于1微米的尺寸的预定结构，“微米结构”是一种具有至少一个低于1毫米的尺寸的预定结构。术语“部件图形”是指微米结构的图形或者纳米结构的图形。此外，术语“液体”、“小滴”和“液滴”以可互换的方式在此使用。那些术语的每一个涉及液体或一部分液体，无论是否以小滴的形式。

本发明人认识到，最好能够控制给定液体向给定纳米结构或微米结构的表面的渗透，并由此控制液体与支撑纳米结构或微米结构的下层基底的接触。图5A和5B表示根据本发明原理的一个实施例，其中，采用电润湿来控制液体向纳米结构表面的渗透。在申请日为2003年3月31日、申请号为10/403159中描述了电润湿的原理，该申请的名称为“用于可变地控制液体在纳米结构表面上的运动的方法和装置”，在此将其全部内容引作参考。

参见图5A，在如上所述的圆柱形纳米柱502的纳米结构部件图形上设置导电液体(如液体电池中的电解液)的小滴501，这样，小滴501的表面张力使得小滴悬浮在纳米柱502的上部。在这种设置中，小滴仅覆盖各纳米柱的表面区域f₁。由导电基底503的表面支撑纳米柱502。小滴501借助具有电压源505的引线504示意性地电连接到基底503。示意性地纳米柱更详细地示于图6中。在此图中，纳米柱502通过材料601与液体(图5A中的501)电绝缘，材料601例如为介质材料的绝缘层。纳米柱进一步通过低表面能量材料602与液体分开，材料602例如为人们熟知的含氟聚合物。这种低表面能量材料使得在液体和纳米柱表面之间获得适当的最初接触角度。对于本领域的技术人员而言，采用具有足够低的表面能量和足够高的绝缘性能的单层材料来代替采用不同材料的两个单层是显而易见的。

图5B表明，通过将低电压(例如，10-20伏特)施加到液体501的导电液滴上，使液体501和纳米柱502之间产生电压差。在液体和纳米柱表面之间的接触角减小，小滴501以足够小的接触角沿着纳米柱502的表面在y方向上向下移动并渗入纳米结构部件图形，直至其完全围绕各纳米柱502并与基底503的上表面接触。在此结构中，小滴覆盖各纳米柱的表面区域f₂。由于f₂＞＞f₁，因此在小滴501和纳米柱502之间的整个接触区域比较大，使得小滴501接触基底503。

图7表示根据本发明原理的示意性电池701，其中，电解液702装在具有保护壁703的容器内。电解液702与正极704接触，但通过纳米结构表面707与负极708分离。纳米结构表面707可以是负极表面，或者作为选择，可以是连接到负极的表面。本领域的技术人员会认识到，纳米结构表面还可以用于与正极接触，可获得类似的有益结果。在图7中，电解液悬浮在该表面的纳米柱顶部，类似于图5A的小滴。将电池701插入如具有负载706的电路705中。当电解液不与负极接触时，基本上在电解液和电池701的电极704和705之间不发生反应，因此不消耗电极材料。因此，可以在电池不放电的条件下使电池701存储较长的时期。

图8表示将图7的电池701插入到电路705中，其中，采用上述电润湿原理，将电压施加在纳米结构的表面707上，由此使电解液702渗入表面707并与负极708接触。本领域技术人员会认识到，此电压可由任意数量的电源产生，例如，通过使一个或多个脉冲的RF能量经过电池。当出现电解液向纳米结构中的渗透时，电子开始沿上述电路705在方向801流动，为负载706供电。因此，图7和8的实施例表明如何在长时间没有损耗的条件下存储电池，然后在所需点及时“打开”，由此为电路中的一个或多个电负载供电。

图9A和9B表示在小型电子封装901中示意性使用的图7和8的电池的截面。具体而言，参见图9A，封装901具有电连接到示意性激光部分(具有激光器906)的电池部分(具有正极904、负极908、纳米结构表面907和电解液902)。本领域的技术人员会认识到，封装901可以是由一种材料如硅晶片整体形成的集成装置，或者作为选择，电池部分可以单独地形成并在之后的制造步骤中连接到封装901的激光部分。在图9A和9B的横截面中示出的封装901可以示意性地制造成以任意所需几何形状(例如，方形、圆形、矩形等)的任何尺寸的装置。作为优选，封装901可以制造成：表面901具有1mm²-100mm²的表面积。本领域的技术人员会认识到，具有各种表面积的各种形状可有利地用于各种应用。

如之前所述，参见图9B，当电压施加在纳米结构907的表面上时，电解液902渗入表面907并接触电极908。重复一次，这种电压可通过在电池外部产生的RF脉冲产生。在电极904和908之间的反应开始，电流开始沿将电池连接到激光器906的电路流动。因此，激光器906开始发光。

图10A和10B和11表示，对于图9A和9B的电子封装的一种示意性用途。具体而言，参见图10A，容器1001例如射弹填充有粘性液体1002，在粘性液体1002中设置了多个图9A和9B的电子封装901。粘性液体是示意性凝胶，这种凝胶具有长保存期(例如，具有较长时间不会改变的粘性)并用于保持在多个电子封装901之间的距离。射弹示意性地由聚合物材料形成，例如，常用的PVC或ABS塑料。适合用于图10A和10B的实施例中的示意性液体在聚氨基弹性粘合剂族中是软粘性的。在使用之前，电子封装901的电池部分是非活性的，激光器不发光，类似于上述图9A的实施例。然而，参见图10B，当需要激光器开始发光时，装置1005产生一个或多个RF能量脉冲1004，脉冲1004经过容器1001，由此将电压施加在图9B的纳米结构的表面907上，使封装901的电池中的电解液与图9B的电极904和908接触。因此，和图9B的实施例相同，激光器906开始发光。本领域的技术人员会认识到，如果图10A和10B的射弹是由枪发射的射弹，装置1005可以是产生RF脉冲以激活封装901的激光器的枪的部件。正如在此采用的那样，枪定义为手枪、步枪、大炮、弹弓或任何其它适于向目标发射射弹的这种装置。作为选择，例如在由手投掷的射弹的情况下，可采用任何适当的RF能量产生装置以激活电子封装901的激光器。

图11表明，当图10A和10B的射弹1001接触表面1101时，如何将车辆的表面、射弹分离，如何将液体1002粘接到表面1101。因此，在液体内的发光封装901也粘接到车辆的表面1101。某些军事指令、尤其是从空降平台上降落的炮弹和/或导弹适合于引入(homeinto)特殊频率的激光。因此，本领域的技术人员应认识到，发光封装906由此可用作可引入(home into)这些炮弹和导弹的军用激光瞄准装置。本领域的技术人员还可认识到，这种形式的激光瞄准装置具有优于目前使用的激光瞄准系统的优点。例如，一种现有系统依靠利用激光对目标的手工“上色”。在这种情况下，在地面上的人必须保持与目标接近，将激光照在目标上，由此使此人处于被发现或被伤害的危险情况。另一现有系统依靠飞行器以用激光对目标上色。然而，这要求飞行器再一次保持在目标的附近，直至炮弹和导弹摧毁目标。这同样是不希望的。

图10A和10B的射弹具有以下优点：它能够在车辆上发射并用作自生激光发射器。因此，既不需要人、也不需要飞行器来利用激光器对靶上色。因此，本领域的技术人员可认识到，在发射射弹之前不需要激活图10A和10B的激光发射器。相反，可如图11所示那样发射射弹和连接到表面1101的未激活发射器。然后，在之后的时间，可由会激活激光发射器的任何合适的能源产生RF能量脉冲。本领域的技术人员会认识到，可由在不同射弹中的激光封装发射不同的激光信号，例如通过利用不同加密的信号，由此允许通过不同指令的目标区别。

上面仅描述了本发明的原理。因此应理解，本领域的技术人员能够设计出各种设置，虽然在此没有清楚地描述，但是各种设置体现出本发明的原理并在本发明的实质和范围内。例如，鉴于在此描述的各种实施例，本领域的技术人员会认识到，本发明的原理可广泛应用于完全不同的领域和应用。在此描述的所有例子和限定性语言仅是为了帮助读者理解本发明的原理，并不表示将本发明局限于这些具体描述的例子和条件。此外，描述本发明方案和实施方式的所有陈述都涵盖了它们的功能性替代物。

Claims (8)

1.一种装置，包括：

电解液；

第一电极；和

在所述电解液和所述电极之间的纳米结构表面，

其中所述纳米结构表面防止电解液与电极接触。

2.根据权利要求1的装置，其中，在将电压施加在所述纳米结构表面上时，所述电解液渗入所述表面，由此接触所述电极。

3.根据权利要求1的装置，还包括第二电极，所述第二电极以下述设置方式与所述电解液接触：当所述电解液渗入所述表面时，形成能够产生电流的电池。

4.根据权利要求3的装置，还包括含有电负载的电路。

5.根据权利要求4的装置，其中所述电负载是至少一个激光器。

6.一种用于指定目标的装置，包括：

激光产生装置，包括电池和激光器，

其中所述电池包括通过多个纳米结构与至少一个电极隔开的电解液；和

用于将所述激光产生装置连接到所述目标的装置。

7.根据权利要求6的装置，其中所述用于连接的装置包括含有多个所述激光产生装置的液体，所述液体设置在容器内，

其中，在接触所述目标的表面时，含有所述多个激光产生装置的液体粘接到所述表面。

8.根据权利要求7的装置，其中所述容器是适于由枪发射的射弹。

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