KR20160023592A - 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

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cathode slurry
biocompatible
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프레더릭 에이. 플리치
조르지 곤잘레스
대니얼 비. 오츠
랜들 비. 퓨
제임스 대니얼 리올
애덤 토너
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존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
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Abstract

생체적합성 동력공급 요소를 형성하기 위한 방법과 기구가 기술된다. 일부 예에서, 생체적합성 동력공급 요소를 형성하기 위한 방법과 기구는 활성 캐소드 화학물질을 포함하는 공동을 형성하는 것을 수반한다. 캐소드 및 애노드의 능동 요소는 생체적합성 재료로 밀봉된다. 일부 예에서, 이러한 방법 및 기구에 대한 사용 분야는 동력공급 요소를 필요로 하는 임의의 생체적합성 장치 또는 제품을 포함할 수 있다.

Description

생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법{METHODS FOR MANUFACTURING BIOCOMPATIBLE CATHODE SLURRY FOR USE IN BIOCOMPATIBLE BATTERIES}
관련 출원의 상호 참조
본 특허 출원은 2014년 8월 21일자로 출원된 미국 가출원 제62/040178호의 이익을 청구한다.
생체적합성 배터리(biocompatible battery)에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리(cathode slurry)를 제조하기 위한 방법이 기술된다. 일부 예에서, 방법은 그를 통해 전류가 유입되거나 진공 또는 유동성(fluent) 상태로 남게 되는 전기 전도체를 제조하는 것을 포함한다. 일부 예에서, 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법에 대한 사용 분야는 에너지를 필요로 하는 임의의 생체적합성 장치 또는 제품을 포함할 수 있다.
최근, 다수의 의료 장치 및 그의 기능성이 빠르게 개발되기 시작했다. 이들 의료 장치는, 예를 들어, 이식가능 심장 박동 조절 장치(pacemaker), 생물학적 기능을 모니터링 및/또는 검사하기 위한 전자 알약(electronic pill), 능동 구성요소를 갖는 수술 장치, 콘택트 렌즈, 주입 펌프, 및 신경 자극기를 포함할 수 있다. 전술된 의료 장치들 중 많은 것에 대한 추가 기능성 및 성능의 증가가 이론화 및 개발되었다. 그러나, 이론화된 추가 기능성을 달성하기 위하여, 이들 장치들 중 많은 것이 현재 이들 장치의 크기 및 형상 요건뿐만 아니라, 새로운 동력공급형 구성요소의 에너지 요건과 양립가능한 자급식(self-contained) 동력공급 수단을 필요로 한다.
일부 의료 장치는, 다양한 기능을 수행하고 많은 생체적합성 및/또는 이식가능 장치에 통합될 수 있는 반도체 장치와 같은 전기 구성요소를 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 반도체 구성요소는 에너지를 필요로 하며, 이에 따라 바람직하게는 동력공급 요소(energization element)가 또한 그러한 생체적합성 장치 내에 포함되어야 한다. 생체적합성 장치의 토폴로지(topology) 및 비교적 작은 크기는 다양한 기능성의 정의를 위한 힘든 환경을 생성할 수 있다. 많은 예에서, 생체적합성 장치 내의 반도체 구성요소에 동력을 공급하기 위한 안전하고, 신뢰할 수 있고, 콤팩트하고 비용 효율적인 수단을 제공하는 것이 중요할 수 있다. 따라서, 밀리미터 또는 더 작은 크기의 동력공급 요소의 구조물이 생체적합성을 유지하면서 동력공급 요소를 위한 향상된 기능을 제공하는, 생체적합성 장치 내에의 또는 그것 상에의 이식을 위해 형성된 생체적합성 동력공급 요소에 대한 필요성이 존재한다.
장치에 전력공급하는 데 사용되는 하나의 그러한 동력공급 요소는 배터리일 수 있다. 다양한 타입의 화학물질 기반 에너지 저장 재료를 포함할 수 있는 배터리 내의 공통 요소는 배터리 캐소드이다. 배터리의 기능은 구조물의 설계, 재료, 및 배터리 캐소드의 형성에 관련된 공정에 임계적으로 좌우될 수 있다. 또한, 일부 예에서, 배터리 캐소드 재료의 격납은 생체적합성의 중요한 측면일 수 있다.
캐소드 슬러리는 생체적합성 배터리의 구성요소일 수 있다. 캐소드 슬러리의 선택은 생체적합성 배터리의 통합, 제조, 물류 관리, 신뢰성, 및 수율에 영향을 미칠 수 있다. 슬러리 기술은 슬러리 산업에서 필요로 하는 요건과 보조를 맞추어 발전하여 왔다. 캐소드 슬러리 제조는 입자 합성; 분산, 혼합, 및 여과; 전기화학, 콜로이드 과학 및 계면 화학; 유체 역학; 및 수치 해석 분야의 전문 지식을 필요로 할 수 있다. 작업의 전문 지식은 공급자가 캐소드 슬러리를 매일 매일 완전하게 제조하는 데, 그리고 대량 제조를 위해 캐소드 슬러리를 전달하는 데 유용할 수 있다. 또한, 배터리 요소 및 이를 안과용 장치를 위한 생체적합성 에너지원으로서 만들기 위해 사용되는 제조 시스템을 설계할 때, 안과 및 안과용 장치의 전문 지식은 캐소드 슬러리를 사용하여 형성되는 생체적합성 장치의 안전 프로파일에 중요할 수 있다. 따라서, 생체적합성 동력공급 요소에 사용하기 위한 작은 생체적합성 캐소드를 제조하는 신규한 예에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 일반적인 태양은 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 이 방법은 하나 이상의 액체상 예비 혼합물과 하나 이상의 고체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 공동(cavity)을 형성하도록 제거된 체적부(volume)를 갖는 층상 구조물(laminar structure)을 얻는 단계를 포함한다. 다음으로, 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계를 포함한다. 마지막으로, 캐소드 슬러리 혼합물을 층상 구조물의 공동 내로 분배하여, 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 형성하는 단계를 포함한다.
구현예들은 하기의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 방법은 고체상 예비 혼합물 및 액체상 예비 혼합물의 품질을 확인하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 캐소드 슬러리 혼합물을 여과한 후에 캐소드 슬러리 혼합물을 저장 및 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 액체상 예비 혼합물은 하나 이상의 시약들을 포함할 수 있고, 여기서, 적어도 하나의 시약은 액체상 시약이다. 방법은 또한 액체상 시약들을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 하나의 액체상 시약은 용매를 포함할 수 있다. 용매는 톨루엔을 포함할 수 있다.
고체상 예비 혼합물은 하나 이상의 고체상 시약들을 포함할 수 있다. 방법은 또한 고체상 시약들을 균일한 입자 크기로 체질(sieving)하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 친수성 결합제를 포함하는 고체상 시약들을 포함할 수 있다. 방법은 또한 전이 금속 산화물을 포함하는 하나의 고체상 예비 혼합물을 포함할 수 있다. 전이 금속 산화물은 이산화망간을 포함할 수 있다. 방법은 또한 탄소 동소체를 포함하는 하나의 고체상 시약을 포함할 수 있다. 탄소 동소체는 흑연을 포함할 수 있다. 흑연은 카본 블랙을 포함할 수 있다. 방법은 또한 소수성 결합제를 포함하는 하나의 고체상 시약을 포함할 수 있다. 소수성 결합제는 폴리아이소부틸렌(PIB)을 포함할 수 있다. 소수성 결합제는 플루오로카본 고체를 포함할 수 있다. 플루오로카본 고체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함할 수 있다. 방법은 또한 콘택트 렌즈인 생체의료 장치(biomedical device)를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 일반적인 태양은 톨루엔, 이산화망간, 카본 블랙, 및 폴리아이소부틸렌을 얻는 단계를 포함하는, 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 방법은 또한 톨루엔을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 이산화망간, 카본 블랙, 및 폴리아이소부틸렌을 체질하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 톨루엔과 폴리아이소부틸렌을 액체상 예비 혼합물로 되도록 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 이산화망간과 카본 블랙을 고체상 예비 혼합물로 되도록 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 고체상 예비 혼합물 및 액체상 예비 혼합물 둘 모두의 품질을 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 고체상 예비 혼합물과 액체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하고, 이어서 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 캐소드 슬러리 혼합물을 저장하고, 이어서 캐소드 슬러리 혼합물을 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 공동을 형성하도록 제거된 체적부를 갖는 층상 구조물을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 저장된 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하고, 이어서 여과된 캐소드 슬러리 혼합물을 층상 구조물의 공동 내로 분배한 후에, 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시켜, 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 일반적인 태양은 하나 이상의 액체상 예비 혼합물과 하나 이상의 고체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계, 공동을 형성하도록 제거된 체적부를 갖는 층상 구조물을 얻는 단계, 및 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계를 포함하는, 생체의료 장치에 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 방법은 또한 캐소드 슬러리 혼합물을 층상 구조물의 공동 내로 분배하여, 생체의료 장치에 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 생체의료 장치는 인서트 장치(insert device)를 포함한다. 인서트 장치는 제어 전압 신호에 응답하는 전기활성 요소를 포함할 수 있다. 방법은 또한 생체적합성 배터리를 포함할 수 있다. 생체적합성 배터리는 제1 및 제2 전극, 애노드, 세퍼레이터(separator), 층상 구조물(여기서, 층상 구조물의 적어도 하나의 층은 공동을 형성하도록 제거된 체적부를 가짐)을 포함할 수 있다. 방법은 또한 캐소드 슬러리를 포함할 수 있고, 여기서 캐소드 슬러리의 하나의 성분의 적어도 평균 분자 크기는 이 성분을 밀링함으로써 입자 크기가 감소된다. 방법은 또한 공동 내의 층상 구조물을 통한 전기전도도를 유지하면서, 캐소드 슬러리의 리올로지(rheology)에 기초하여, 공동을 충전할 수 있는 캐소드 슬러리를 포함할 수 있다. 방법은 또한 생체적합성 배터리에 전기적으로 연결된 회로를 포함할 수 있고, 여기서 회로는 제어 전압 신호를 제공한다. 방법은 콘택트 렌즈인 생체의료 장치를 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 콘택트 렌즈의 예시적인 응용과 호응하는 생체적합성 동력공급 요소의 예시적인 태양을 예시하는 도면.
도 2는 예시적인 배터리 설계의 개별 전지들의 예시적인 크기 및 형상을 예시하는 도면.
도 3a는 예시적인 애노드 및 캐소드 연결부를 갖는 제1 독립형의 패키징된 생체적합성 동력공급 요소를 예시하는 도면.
도 3b는 예시적인 애노드 및 캐소드 연결부를 갖는 제2 독립형의 패키징된 생체적합성 동력공급 요소를 예시하는 도면.
도 4a 내지 도 4n은 생체의료 장치용의 생체적합성 동력공급 요소의 형성을 위한 예시적인 방법 단계를 예시하는 도면.
도 5는 완전히 형성된 예시적인 생체적합성 동력공급 요소를 예시하는 도면.
도 6a 내지 도 6f는 생체적합성 동력공급 요소의 구조 형성을 위한 예시적인 방법 단계를 예시하는 도면.
도 7a 내지 도 7f는 대안적인 전기도금 방법을 이용한 생체적합성 동력공급 요소의 구조 형성을 위한 예시적인 방법 단계를 예시하는 도면.
도 8a 내지 도 8h는 생체의료 장치용의 하이드로겔 세퍼레이터를 갖는 생체적합성 동력공급 요소의 형성을 위한 예시적인 방법 단계를 예시하는 도면.
도 9a 내지 도 9c는 대안적인 하이드로겔 처리 예를 이용한 생체적합성 동력공급 요소의 구조 형성을 위한 예시적인 방법 단계를 예시하는 도면.
도 10a 내지 도 10f는 공동 내로의 캐소드 혼합물의 최적화된 침착 및 비-최적화된 침착을 예시하는 도면.
도 11은 공동 내부의 캐소드 혼합물의 응집(agglomeration)을 예시하는 도면.
도 12는 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 예시적인 방법 단계를 예시하는 도면.
생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하는 방법이 본 출원에 개시된다. 하기의 섹션에서, 다양한 예의 상세한 설명이 기술된다. 예들의 설명은 단지 예시적인 실시예이고, 다양한 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 수 있다. 따라서, 예들은 본 출원의 범주를 제한하지 않는다. 캐소드 혼합물, 및 그것을 수용하는 구조물은 생체적합성 배터리에서 사용하도록 설계될 수 있다. 일부 예에서, 이들 생체적합성 배터리는 생물의 생체 내에서 또는 그것에 근접하게 사용되도록 설계될 수 있다.
용어
하기의 설명 및 청구범위에서, 하기의 정의가 적용될 다양한 용어가 사용될 수 있다:
본 명세서에 사용된 바와 같은 "애노드"는 전류가 그것을 통해 분극된 전기 장치 내로 흐르는 전극을 말한다. 전류의 방향은 전형적으로 전자 흐름의 방향과는 반대이다. 다시 말해서, 전자는 애노드로부터, 예를 들어, 전기 회로 내로 흐른다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "결합제(binder)"는 기계적 변형에 대해 탄성 응답을 나타낼 수 있고 다른 동력공급 요소 구성요소와 화학적으로 상용성인 중합체를 말한다. 예를 들어, 결합제는 전기활성 재료, 전해질, 중합체 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "생체적합성"은 특정 응용에서 적절한 숙주 반응과 함께 작동하는 재료 또는 장치를 말한다. 예를 들어, 생체적합성 장치는 생체계에 독성 또는 해로운 영향을 미치지 않는다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "캐소드"는 전류가 그것을 통해 분극된 전기 장치 밖으로 흐르는 전극을 말한다. 전류의 방향은 전형적으로 전자 흐름의 방향과는 반대이다. 따라서, 전자는 분극된 전기 장치의 캐소드 내로, 그리고 예를 들어 연결된 전기회로 밖으로 흐른다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "코팅"은 얇은 형태의 재료의 침착물(deposit)을 말한다. 일부 사용에서, 이 용어는 얇은 침착물로서, 얇은 침착물이 그 상에 형성된 기재(substrate)의 표면을 실질적으로 덮는, 얇은 침착물을 지칭할 것이다. 보다 특수화된 다른 사용에서, 이 용어는 표면의 보다 작은 영역 내의 작고 얇은 침착물을 기술하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "전극"은 에너지원 내의 활성 질량을 말할 수 있다. 예를 들어, 그것은 애노드 및 캐소드 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "동력공급된"은 전류를 공급할 수 있거나 내부에 전기 에너지를 저장할 수 있는 상태를 말한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "에너지"는 일을 하는 물리적 시스템의 능력을 말한다. 동력공급 요소의 많은 사용이 전기적 작용을 수행할 수 있는 능력에 관련될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "에너지원" 또는 "동력공급 요소" 또는 "동력공급 장치"는 에너지를 공급할 수 있거나 논리적 또는 전기적 장치를 동력공급된 상태에 둘 수 있는 임의의 장치 또는 층을 말한다. 동력공급 요소는 배터리를 포함할 수 있다. 배터리는 알칼리 타입 전지 화학물질로부터 형성될 수 있고, 고체 상태 배터리 또는 습식 전지 배터리일 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "충전제"는 산성 전해질 또는 알칼리성 전해질 어느 것과도 반응하지 않는 하나 이상의 동력공급 요소 세퍼레이터를 말한다. 일반적으로, 충전제는 실질적으로 수불용성 재료, 예를 들어 카본 블랙; 탄진(coal dust); 흑연; 금속 산화물 및 수산화물, 예를 들어 규소, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 티타늄, 철, 아연, 및 주석의 것들; 금속 탄산염, 예를 들어 칼슘 및 마그네슘의 것들; 광물, 예를 들어 운모, 몬트모롤로나이트, 카올리나이트, 애터펄자이트, 및 활석; 인조 및 천연 제올라이트, 예를 들어 포틀랜드 시멘트(Portland cement); 침전 금속 규산염, 예를 들어 규산칼슘; 중공(hollow) 또는 중실(solid) 중합체 또는 유리 미소구체, 플레이크(flake) 및 섬유 등을 포함할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "기능화된"은 층 또는 장치를, 예를 들어, 동력공급, 활성화, 및/또는 제어를 포함한 기능을 수행할 수 있게 만드는 것을 말한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "금형(mold)"은 경화되지 않은 제형으로부터 3차원 물체를 형성하는 데 사용될 수 있는 강성 또는 반강성(semi-rigid) 물체를 말한다. 일부 예시적인 금형은, 서로 대향될 때, 3차원 물체의 구조를 한정하는 2개의 금형 부분품(mold part)을 포함한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "일률"은 단위 시간당 행해진 일 또는 전달된 에너지를 말한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "재충전가능" 또는 "재동력공급가능"은 보다 높은 일 수행 능력을 갖는 상태로 복원되는 능력을 말한다. 많은 사용이 소정의 회복 기간 동안 소정의 속도로 전류를 흐르게 하는 능력에 의해 복원되는 능력에 관련될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "재동력공급" 또는 "재충전"은 보다 높은 일 수행 능력을 갖는 상태로 회복시키는 것을 말한다. 많은 사용이 소정의 회복 기간 동안 소정의 속도로 전류를 흐르게 하는 능력으로 장치를 복원시키는 것에 관련될 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 그리고 때때로 "금형으로부터 해제된"으로 지칭되는 "해제된"은, 3차원 물체가 금형으로부터 완전히 분리되거나, 단지 금형에 느슨하게 부착되어서, 그것이 가벼운 정도의 요동에 의해 제거될 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "적층된"은 적어도 2개의 구성요소 층을 서로 근접하게 배치하여서, 층들 중 하나의 층의 하나의 표면의 적어도 일부분이 제2 층의 제1 표면과 접촉하는 것을 의미한다. 일부 예에서, 코팅은, 접착을 위한 것이든지 또는 다른 기능을 위한 것이든지 간에, 상기 코팅을 통해 서로 접촉하는 2개의 층 사이에 있을 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같은 "트레이스(trace)"는 회로 구성요소들을 함께 연결할 수 있는 동력공급 요소 구성요소를 말한다. 예를 들어, 회로 트레이스는 기재가 인쇄 회로 기판일 때 구리 또는 금을 포함할 수 있고, 전형적으로 가요성 회로에서 구리, 금 또는 인쇄된 필름일 수 있다. "트레이스"의 특수한 타입이 전류 콜렉터이다. 전류 콜렉터는 전류 콜렉터를 전해질의 존재 하에서 애노드 또는 캐소드로 그리고 그로부터 전자를 전도하는 데 사용하기에 적합하게 만드는 전기화학적 상용성을 갖는 트레이스이다.
본 명세서에서 제공되는 방법 및 기구는 평평한 또는 3차원의 생체적합성 장치 내에 또는 그 상에 포함시키기 위한 생체적합성 동력공급 요소를 형성하는 것에 관련된다. 동력공급 요소의 특정 부류는 층 상태로 제조된 배터리일 수 있다. 이 층은 또한 라미네이트 층으로 분류될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 배터리는 층상 배터리로 분류될 수 있다.
본 발명에 따른 배터리를 조립 및 구성하는 방법의 다른 예가 있을 수 있으며, 일부가 하기의 섹션에 기술될 수 있다. 그러나, 이들 예 중 많은 것의 경우에, 독자적으로 기술될 수 있는 배터리의 선택된 파라미터 및 특성이 존재한다. 하기의 섹션에서, 일부 특성 및 파라미터에 집중될 것이다.
생체적합성 동력공급 요소를 갖는 예시적인 생체의료 장치 구성
본 발명의 동력공급 요소인 배터리를 포함할 수 있는 생체의료 장치의 예는 전기활성 초점-조절 콘택트 렌즈일 수 있다. 도 1a를 참조하면, 그러한 콘택트 렌즈 인서트의 예가 콘택트 렌즈 인서트(100)로서 도시될 수 있다. 콘택트 렌즈 인서트(100) 내에는, 제어 전압에 응답하여 초점 특성 변화를 수용할 수 있는 전기활성 요소(120)가 있을 수 있다. 이들 제어 전압 신호를 제공할 뿐만 아니라 외부 제어 신호를 위한 환경의 감지를 제어하는 것과 같은 다른 기능을 제공하기 위한 회로(105)가 생체적합성 배터리 요소(110)에 의해 전력공급될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 배터리 요소(110)는 다수의 주 피스(major piece), 이 경우에서는 3개의 피스로서 확인될 수 있으며, 논의되었던 바와 같이 배터리 화학물질 요소의 다양한 구성을 포함할 수 있다. 배터리 요소(110)는 상호연결부(114)의 영역 밑에 도시될 수 있는 바와 같은 피스들을 함께 접합하기 위한 다양한 상호연결 특징부(feature)를 가질 수 있다. 배터리 요소(110)는 상호연결 특징부(125)가 그것 상에 위치될 수 있는 그것 자신의 기재(111)를 가질 수 있는 회로 요소에 연결될 수 있다. 집적 회로의 형태일 수 있는 회로(105)는 기판(111) 및 그것의 상호연결 특징부(125)에 전기적으로 그리고 물리적으로 연결될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 콘택트 렌즈(150)의 단면 릴리프(cross sectional relief)가 콘택트 렌즈 인서트(100) 및 그것의 논의된 구성요소를 포함할 수 있다. 콘택트 렌즈 인서트(100)는, 콘택트 렌즈 인서트(100)를 봉지하고 사용자의 눈에 대한 콘택트 렌즈(150)의 편안한 인터페이스를 제공할 수 있는 콘택트 렌즈 하이드로겔(155)의 스커트(skirt) 내에 봉지될 수 있다.
본 발명의 개념과 관련하여, 배터리 요소는 도 1c에 도시된 바와 같이 2차원 형태로 형성될 수 있다. 이러한 도시에서, 배터리 구성요소(165)의 영역 내에 있는 배터리 전지의 2개의 주된 영역 및 배터리 화학물질 요소(160)의 영역 내에 있는 제2 배터리 구성요소가 존재할 수 있다. 도 1c에 평평한 형태로 도시된 배터리 요소는, 도 1c의 예에서 2개의 주 회로 영역(167)을 포함할 수 있는 회로 요소(163)에 연결될 수 있다. 회로 요소(163)는 전기적 접점(161) 및 물리적 접점(162)에서 배터리 요소에 연결될 수 있다. 평평한 구조물은 본 발명에 관하여 기술되었던 바와 같이 3차원 원추형 구조물로 되도록 절첩될 수 있다. 그 과정에서, 제2 전기적 접점(166) 및 제2 물리적 접점(164)이 3차원 구조물을 연결하고 물리적으로 안정시키는 데 사용될 수 있다. 도 1d를 참조하면, 이러한 3차원 원추형 구조물(180)의 묘사가 확인될 수 있다. 물리적 및 전기적 접촉점(181)이 또한 확인될 수 있으며, 이러한 예시는 생성된 구조물의 3차원 도면으로 간주될 수 있다. 이러한 구조물은 렌즈 인서트와 함께 생체적합성 장치에 통합될 모듈형 전기 및 배터리 구성요소를 포함할 수 있다.
세그먼트화된 배터리 구성
도 2를 참조하면, 다양한 타입의 세그먼트화된 배터리 구성의 예가 콘택트 렌즈 타입 예를 위한 예시적인 배터리 요소에 대해 도시된다. 세그먼트화된 구성요소는 비교적 원형 형상(271), 정사각형 형상(272) 또는 직사각형 형상일 수 있다. 직사각형 형상의 예에서, 직사각형은 작은 직사각형 형상(273), 더 큰 직사각형 형상(274), 또는 훨씬 더 큰 직사각형 형상(275)일 수 있다.
평평한 배터리 요소의 맞춤 형상
생체적합성 배터리의 일부 예에서, 배터리는 평평한 요소로서 형성될 수 있다. 도 3a를 참조하면, 배터리 요소의 직사각형 윤곽(310)의 예가 애노드 연결부(311) 및 캐소드 연결부(312)와 함께 도시될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 배터리 요소의 원형 윤곽(330)의 예가 애노드 연결부(331) 및 캐소드 연결부(332)와 함께 도시될 수 있다.
평평하게 형성된 배터리의 일부 예에서, 배터리 형태의 윤곽은 맞춤 제품에 끼워맞춤되도록 치수적으로 그리고 기하학적으로 구성될 수 있다. 직사각형 또는 원형 윤곽을 갖는 예에 더하여, 배터리 구성이 주어진 제품 내에 끼워맞춤되도록 최적화되게 할 수 있는 맞춤 "자유 형태" 또는 "자유 형상" 윤곽이 형성될 수 있다.
가변 광학체의 예시적인 생체의료 장치 경우에, 평평한 윤곽의 "자유 형태" 예는 형태가 아치형일 수 있다. 이러한 자유 형태는, 3차원 형상으로 형성될 때, 그것이 콘택트 렌즈의 제약 한계 내에 끼워맞춤되는 원추형, 환형 스커트의 형태를 취할 수 있는 기하학적 형상을 가질 수 있다. 의료 장치가 제한적인 2D 또는 3D 형상 요건을 갖는 경우에 유사한 유익한 기하학적 형상이 형성될 수 있음이 명백할 수 있다.
배터리의 생체적합성 양태
예로서, 본 발명에 따른 배터리는 안전성 및 생체적합성에 관련된 중요한 양태를 가질 수 있다. 일부 예에서, 생체의료 장치를 위한 배터리는 전형적인 사용 시나리오를 위한 것 이상의 요건을 충족시키는 것이 필요할 수 있다. 일부 예에서, 설계 양태가 스트레싱 이벤트(stressing event)에 관련되어 고려될 수 있다. 예를 들어, 전자 콘택트 렌즈의 안전성은 사용자가 삽입 또는 제거 동안 렌즈를 파손하는 경우에 고려될 필요가 있을 수 있다. 다른 예에서, 설계 양태는 이물질이 사용자의 눈이 부딪칠 가능성을 고려할 수 있다. 설계 파라미터 및 제약사항 개발 시에 고려될 수 있는 스트레스 조건의 또 다른 예는 사용자가 비제한적인 예에서 수중 환경 또는 높은 고도 환경과 같은 힘든 환경에서 렌즈를 착용할 가능성에 관련될 수 있다.
그러한 장치의 안전성은 장치가 그것으로 또는 그것으로부터 형성되는 재료에 의해, 장치를 제조하는 데 채용되는 그 재료의 양에 의해, 그리고 또한 장치를 주위 생체상 또는 생체내 환경으로부터 분리시키기 위해 적용되는 패키징에 의해 영향을 받을 수 있다. 예에서, 심장 박동 조절 장치가, 배터리를 포함할 수 있고 장기간 동안 사용자 내에 이식될 수 있는 전형적인 타입의 생체의료 장치일 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 그러한 심장 박동 조절 장치는 전형적으로 용접된 밀폐형 티타늄 인클로저(enclosure), 또는 다른 예에서 다수의 봉지 층으로 패키징될 수 있다. 최근에 만들어진 전원형 생체의료 장치는 패키징, 특히 배터리 패키징에 대한 새로운 문제를 나타낼 수 있다. 이들 새로운 장치는 기존의 생체의료 장치보다 훨씬 더 작을 수 있으며, 예를 들어, 전자 콘택트 렌즈 또는 정제 카메라(pill camera)는 심장 박동 조절 장치보다 상당히 더 작을 수 있다. 그러한 예에서, 패키징에 이용가능한 체적 및 면적이 크게 감소될 수 있다.
마이크로배터리의 전기적 요건
설계 고려사항에 대한 다른 영역은 배터리에 의해 제공될 수 있는, 장치의 전기적 요건에 관련될 수 있다. 의료 장치를 위한 전원으로서 기능하기 위해, 적절한 배터리는 비-연결 또는 비-외부 전력공급 모드에서 작동할 때 시스템의 전체 전기적 요건을 충족시킬 필요가 있을 수 있다. 비-연결 또는 비-외부 전력공급 생체의료 장치의 신생 분야는, 예를 들어, 시력 교정 콘택트 렌즈, 건강 모니터링 장치, 정제 카메라, 및 신규 장치를 포함할 수 있다. 집적 회로(IC) 기술의 최근의 발전은 매우 낮은 전류 수준, 예를 들어, 피코암페어의 대기 전류 및 마이크로암페어의 동작 전류에서의 유의미한 전기적 작동을 허용할 수 있다. 직접 회로는 또한 매우 작은 장치를 허용할 수 있다.
생체의료 응용을 위한 마이크로배터리는 많은 동시의, 힘든 요건을 충족시키도록 요구될 수 있다. 예를 들어, 마이크로배터리는 통합된 전기 회로에 적합한 동작 전압을 전달하는 능력을 갖도록 요구될 수 있다. 이러한 동작 전압은 IC 공정 "노드(node)", 회로로부터 다른 장치로의 출력 전압, 및 원하는 장치 수명에 또한 관련될 수 있는 특정 전류 소비량 목표를 비롯한 수개의 요인에 의해 영향을 받을 수 있다.
IC 공정에 관하여, 노드는 전형적으로 트랜지스터의 최소 배선폭(minimum feature size), 예를 들어 그것의 "이른바" 트랜지스터 채널에 의해 구별될 수 있다. 이러한 물리적 특징부는, 게이트 산화물 두께와 같은 IC 제조의 다른 파라미터와 함께, 주어진 공정 노드에서 제조된 전계-효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)의 '턴온(turn-on)" 또는 "임계" 전압에 대한 생성된 평정 기준(rating standard)과 연관될 수 있다. 예를 들어, 0.5 마이크로미터의 최소 배선폭을 갖는 노드에서, 5.0 V의 턴온 전압을 갖는 FET를 발견하는 것이 일반적일 수 있다. 그러나, 90 nm의 최소 배선폭에서, FET는 1.2, 1.8, 및 2.5 V에서 턴온될 수 있다. IC 파운드리(foundry)는 디지털 블록의 표준 전지, 예를 들어 소정 전압 범위에 걸쳐 사용하도록 특성화되고 등급 매겨진 인버터 및 플립-플롭(flip-flop)을 공급할 수 있다. 설계자는 디지털 장치의 밀도, 아날로그/디지털 혼합 신호 장치, 누설 전류, 배선 층, 및 고전압 FET와 같은 특수 장치의 이용가능성을 비롯한 수개의 요인에 기초하여 IC 공정 노드를 선택한다. 마이크로배터리로부터 전력을 인입할 수 있는 전기 구성요소의 이들 파라미터 양태를 고려하면, 마이크로배터리 전원이, 특히 이용가능한 전압 및 전류의 관점에서, 선택된 공정 노드 및 IC 설계의 요건에 정합되는 것이 중요할 수 있다.
일부 예에서, 마이크로배터리에 의해 전력공급되는 전기 회로가 다른 장치에 연결될 수 있다. 비제한적인 예에서, 마이크로배터리-전원형 전기 회로가 액추에이터 또는 트랜스듀서에 연결될 수 있다. 응용에 따라, 이것들은 발광 다이오드(LED), 센서, 미세전기기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 펌프, 또는 다수의 다른 그러한 장치를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 그러한 연결된 장치들은 보통의 IC 공정 노드보다 더 높은 동작 전압 조건을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈는 활성화를 위해 35 V를 필요로 할 수 있다. 따라서, 그러한 시스템을 설계할 때 배터리에 의해 제공되는 동작 전압이 중요한 고려사항일 수 있다. 이러한 타입의 고려사항의 일부 예에서, 1 V 배터리로부터 35 V를 생성하기 위한 렌즈 구동기의 효율은 그것이 2 V 배터리로부터 작동할 때보다 상당히 작을 수 있다. 다이 크기와 같은 추가의 요건이 마이크로배터리의 작동 파라미터를 또한 고려하면 상당히 상이할 수 있다.
개별 배터리 전지는 전형적으로 개회로, 부하, 및 차단 전압으로 등급매겨질 수 있다. 개회로 전압은 무한한 부하 저항을 갖는 배터리 전지에 의해 생성되는 전위이다. 부하 전압은 적절한 그리고 전형적으로 또한 특정된 부하 임피던스가 전지 단자를 가로질러 놓인 전지에 의해 생성되는 전위이다. 차단 전압은 전형적으로 배터리의 대부분이 방전되었던 전압이다. 차단 전압은 그 아래로 배터리가 과도한 가스발생과 같은 유해한 영향을 회피하기 위해 방전되지 않아야 하는 전압 또는 방전의 정도를 나타낼 수 있다. 차단 전압은 전형적으로 단지 배터리 그것 자체가 아니라 배터리가 연결되는 회로에 의해, 예를 들어 전자 회로의 최소 동작 전압에 의해 영향을 받을 수 있다. 일례에서, 알칼리 전지가 1.6 V의 개회로 전압, 1.0 내지 1.5 V의 부하 전압, 및 1.0 V의 차단 전압을 가질 수 있다. 주어진 마이크로배터리 전지 설계의 전압은 채용된 전지 화학물질의 다른 요인에 좌우될 수 있다. 그리고, 상이한 전지 화학물질이 그에 따라 상이한 전지 전압을 가질 수 있다.
전지들은 전압을 증가시키기 위해 직렬로 연결될 수 있지만; 이러한 조합은 크기, 내부 저항, 및 배터리 복잡성에 대한 상충을 수반할 수 있다. 전지들은 또한 저항을 감소시키고 용량을 증가시키기 위해 병렬 구성으로 조합될 수 있지만, 그러한 조합은 크기 및 보존 수명과 상충될 수 있다.
배터리 용량은 소정 기간 동안 전류를 전달하거나 일을 하는 배터리의 능력일 수 있다. 배터리 용량은 전형적으로 마이크로암페어-시간과 같은 단위로 특정될 수 있다. 1시간 동안 1 마이크로암페어의 전류를 전달할 수 있는 배터리는 1 마이크로암페어-시간의 용량을 갖는다. 용량은 전형적으로 배터리 장치 내의 반응물질의 질량(그리고 따라서 체적)을 증가시킴으로써 증가될 수 있지만; 생체의료 장치가 이용가능한 체적에 대해 상당히 제약될 수 있음이 인식될 수 있다. 배터리 용량은 또한 전극과 전해질 재료에 의해 영향을 받을 수 있다.
배터리가 연결되는 회로의 요건에 따라, 배터리는 다양한 값에 걸쳐 전류를 공급하도록 요구될 수 있다. 능동적인 사용 전의 보관 중에, 대략 수 피코암페어 내지 수 나노암페어의 누설 전류가 회로, 상호연결부, 및 절연체를 통해 흐를 수 있다. 능동 작동 중에, 회로는 센서를 샘플링하고, 타이머를 작동시키며, 그러한 낮은 전력 소비 기능을 수행하기 위해 정지 전류(quiescent current)를 소비할 수 있다. 정지 전류 소비량은 대략 수 나노암페어 내지 수 밀리암페어일 수 있다. 회로는 또한 예를 들어 플래시 메모리를 기록하거나 무선 주파수(RF)를 통해 통신할 때 훨씬 더 높은 피크 전류 수요를 가질 수 있다. 이러한 피크 전류는 수십 밀리암페어 이상에 이를 수 있다. 마이크로배터리 장치의 저항과 임피던스가 또한 설계 고려사항에 중요할 수 있다.
보존 수명은 전형적으로 배터리가 보관 중 존속하고 유용한 작동 파라미터를 여전히 유지시킬 수 있는 기간을 말한다. 보존 수명은 몇 가지 이유로 생체의료 장치에 특히 중요할 수 있다. 전자 장치가, 예를 들어 전자 콘택트 렌즈의 도입의 경우에 그러할 수 있는 바와 같이 비-전원형 장치를 대체할 수 있다. 이들 기존의 시장 공간에서의 제품은 소비자, 공급망, 및 다른 요건으로 인해 확립된 보존 수명 요건, 예를 들어 3년을 가질 수 있다. 전형적으로 그러한 사양이 새로운 제품에 대해 변하지 않는 것이 요망될 수 있다. 보존 수명 요건은 또한 마이크로배터리를 포함하는 장치의 유통, 재고, 및 사용 방법에 의해 설정될 수 있다. 따라서, 생체의료 장치를 위한 마이크로배터리는 예를 들어 연수로 측정될 수 있는 특정 보존 수명 요건을 가질 수 있다.
일부 예에서, 3차원 생체적합성 동력공급 요소는 재충전가능할 수 있다. 예를 들어, 유도 코일이 또한 3차원 표면 상에 제조될 수 있다. 유도 코일은 이어서 무선-주파수("RF") 포브(fob)로 동력공급될 수 있다. 유도 코일은 RF가 유도 코일에 인가될 때 동력공급 요소를 재충전하기 위해 3차원 생체적합성 동력공급 요소에 연결될 수 있다. 다른 예에서, 광전지가 또한 3차원 표면 상에 제조되고 3차원 생체적합성 동력공급 요소에 연결될 수 있다. 광 또는 광자에 노출될 때, 광전지는 동력공급 요소를 재충전하기 위한 전자를 생성할 것이다.
일부 예에서, 배터리는 전기 시스템을 위한 전기 에너지를 제공하도록 기능할 수 있다. 이들 예에서, 배터리는 전기 시스템의 회로에 전기적으로 연결될 수 있다. 회로와 배터리 사이의 연결부는 상호연결부로 분류될 수 있다. 이들 상호연결부는 몇 가지 요인으로 인해 생체의료 마이크로배터리에 대해 점점 더 힘들어질 수 있다. 일부 예에서, 전원형 생체의료 장치는 매우 작아서 상호연결부를 위한 면적과 체적을 거의 허용하지 않을 수 있다. 이러한 크기와 면적의 제한은 상호연결부의 전기 저항과 신뢰성에 영향을 줄 수 있다.
다른 점에서, 배터리는 고온에서 비등할 수 있는 액체 전해질을 포함할 수 있다. 이러한 제한은, 예를 들어 용융되는데 250℃와 같은 비교적 고온을 필요로 할 수 있는 땜납 상호연결부를 사용하고자 하는 요망과 직접적으로 경합할 수 있다. 그러나, 일부 예에서, 전해질을 포함한 배터리 화학물질과 땜납 기반 상호연결부를 형성하는 데 사용되는 열원이 서로 공간적으로 격리될 수 있다. 신생 생체의료 장치의 경우, 작은 크기는 열 전도를 감소시키기에 충분한 거리만큼 전해질과 납땜 접합부가 분리되는 것을 불가능하게 할 수 있다.
상호연결부
상호연결부는 전류가 외부 회로와 연결되는 배터리 내외로 흐르도록 허용할 수 있다. 그러한 상호연결부는 배터리 내부 및 외부의 환경과 인터페이싱할 수 있고, 이들 환경 사이의 경계 또는 시일(seal)과 교차할 수 있다. 이들 상호연결부는 외부 회로에 연결되고, 배터리 시일을 통과한 다음에, 배터리 내부의 전류 콜렉터에 연결되는 트레이스로 간주될 수 있다. 그렇기 때문에, 이들 상호연결부는 여러 가지 요건을 가질 수 있다. 배터리 외부에서, 상호연결부는 전형적인 인쇄 회로 트레이스와 유사할 수 있다. 그것들은 다른 트레이스에 납땜되거나 달리 연결될 수 있다. 배터리가 집적 회로를 포함하는 회로 기판과는 별개의 물리적 요소인 예에서, 배터리 상호연결부는 외부 회로에 대한 연결을 허용할 수 있다. 이러한 연결은 땜납, 전도성 테이프, 전도성 잉크 또는 에폭시, 또는 다른 수단으로 형성될 수 있다. 상호연결 트레이스는 배터리 밖의 환경에서 존속할 필요가 있을 수 있으며, 예를 들어 산소의 존재 하에서 부식되지 않을 필요가 있을 수 있다.
상호연결부가 배터리 시일을 통과함에 따라, 상호연결부가 시일과 공존하고 밀봉을 허용하는 것이 매우 중요할 수 있다. 시일과 배터리 패키지 사이에 요구될 수 있는 접착에 더하여 시일과 상호연결부 사이에 접착이 요구될 수 있다. 시일 완전성이 배터리 내부에 전해질과 다른 재료가 존재할 때 유지될 필요가 있을 수 있다. 전형적으로 금속일 수 있는 상호연결부는 배터리 패키징의 고장점(point of failure)으로 알려져 있을 수 있다. 전위 및/또는 전류의 흐름은 전해질이 상호연결부를 따라 "크립(creep)"하는 경향을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상호연결부는 시일 완전성을 유지하도록 엔지니어링될 필요가 있을 수 있다.
배터리 내부에서, 상호연결부는 전류 콜렉터와 인터페이싱할 수 있거나, 실제로 전류 콜렉터를 형성할 수 있다. 이와 관련하여, 상호연결부는 본 명세서에 기술된 바와 같은 전류 콜렉터의 요건을 충족시킬 필요가 있을 수 있거나, 그러한 전류 콜렉터에 대한 전기적 연결을 형성할 필요가 있을 수 있다.
후보 상호연결부와 전류 콜렉터의 하나의 부류는 금속 포일이다. 그러한 포일은 25 마이크로미터 이하의 두께로 입수가능하며, 이는 그것들을 매우 얇은 배터리에 적합하게 만든다. 그러한 포일은 또한 낮은 표면 조도와 오염을 갖고서 얻어질 수 있으며, 이들 두 요인이 배터리 성능에 중요할 수 있다. 포일은 아연, 니켈, 황동, 구리, 티타늄, 다른 금속, 및 다양한 합금을 포함할 수 있다.
전해질
전해질은 전극의 화학 재료 사이에서 일어날 화학 반응을 용이하게 하는 배터리의 성분이다. 전형적인 전해질은 전극에 대해 전기화학적으로 활성이어서, 예를 들어 산화 및 환원 반응이 일어나도록 허용할 수 있다. 일부 예에서, 이러한 중요한 전기화학 활성은 생체적합성인 장치를 생성하는 것에 대한 난제를 야기할 수 있다. 예를 들어, 수산화칼륨(KOH)이 알칼리 전지에서 흔히 사용되는 전해질일 수 있다. 높은 농도에서, 이러한 재료는 높은 pH를 갖고, 다양한 생체 조직과 불리하게 상호작용할 수 있다. 반면에, 일부 예에서, 전기화학적으로 덜 활성일 수 있는 전해질이 채용될 수 있지만; 이들 재료는 전형적으로 감소된 전기적 성능, 예를 들어 감소된 전지 전압과 증가된 전지 저항을 유발할 수 있다. 따라서, 생체의료 마이크로배터리의 설계와 엔지니어링의 하나의 중요한 양태는 전해질일 수 있다. 전해질이 전기적 요건을 충족시키기에 충분히 활성이면서 또한 생체내 또는 생체상 사용에 비교적 안전한 것이 바람직할 수 있다.
생체 세포에 대한 배터리 구성요소, 특히 전해질의 안전성을 결정하기 위해 다양한 시험 시나리오가 사용될 수 있다. 이들 결과는, 배터리 패키징의 시험과 함께, 요건을 충족시킬 수 있는 배터리 시스템의 엔지니어링 설계를 허용할 수 있다. 예를 들어, 전원형 콘택트 렌즈를 개발할 때, 배터리 전해질이 인간 각막 세포 모델 상에서 시험될 수 있다. 이들 시험은 전해질 농도, 노출 시간, 및 첨가제에 관한 실험을 포함할 수 있다. 그러한 시험의 결과는 세포 대사 및 다른 생리학적 양태를 나타낼 수 있다. 시험은 또한 동물과 사람에 관한 생체내 시험을 포함할 수 있다.
본 발명에 사용하기 위한 전해질은 염화아연, 아세트산 아연, 아세트산 암모늄, 및 염화암모늄을 대략 0.1% 내지 50%의 질량 농도로 포함할 수 있고, 비제한적인 예에서 대략 25%일 수 있다. 이러한 특정 농도는 전기화학적 활성, 배터리 성능, 보존 수명, 시일 완전성, 및 생체적합성에 좌우될 수 있다.
일부 예에서, 몇몇 부류의 첨가제가 배터리 시스템의 조성물에 이용될 수 있다. 첨가제는 전해질 베이스(base) 내로 혼합되어 그것의 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 한천(agar)과 같은 겔화제가 패키징 밖으로 누출되는 전해질의 능력을 감소시켜서, 안전성을 증가시킬 수 있다. 부식 억제제가 예를 들어 전해질 내로의 아연 애노드의 원하지 않는 용해를 감소시킴으로써 보존 수명을 개선하기 위해 전해질에 첨가될 수 있다. 이들 억제제는 배터리의 안전성 프로파일에 긍정적으로 또는 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 습윤제 또는 계면활성제가 예를 들어 전해질이 세퍼레이터를 습윤시키도록 또는 배터리 패키지 내에 충전되도록 허용하기 위해 첨가될 수 있다. 역시, 이들 습윤제는 안전성에 긍정적이거나 부정적일 수 있다. 전해질에 계면활성제를 첨가하는 것은 전지의 전기 임피던스를 증가시킬 수 있다. 따라서, 원하는 습윤 또는 다른 특성을 달성하는 계면활성제의 최저 농도가 사용되어야 한다. 예시적인 계면활성제는 트리톤(Triton)™ X-100, 트리톤™ QS44, 및 다우팩스(Dowfax)™ 3B2를 0.01% 내지 2%의 농도로 포함할 수 있다.
생체의료 마이크로배터리의 안전성 프로파일을 현저하게 개선할 수 있는 새로운 전해질이 또한 생겨나고 있다. 예를 들어, 고체 전해질의 부류가 내재적으로 누출에 저항하면서 여전히 적합한 전기적 성능을 제공할 수 있다.
"염수(salt water)" 전해질을 사용하는 배터리가 해양 사용을 위한 리저브 전지(reserve cell)에 흔히 사용된다. 어뢰, 부표, 및 비상등이 그러한 배터리를 사용할 수 있다. 리저브 전지는 활성 재료, 전극 및 전해질이 사용시까지 분리되는 배터리이다. 이러한 분리로 인해, 전지 자체 방전이 크게 감소되고, 보존 수명이 크게 증가된다. 염수 배터리는 아연, 마그네슘, 알루미늄, 구리, 주석, 이산화망간, 및 산화은을 비롯한 다양한 전극 재료로부터 설계될 수 있다. 전해질은 실제 해수, 예를 들어 접촉시 배터리를 침수시키는 바다로부터의 물일 수 있거나, 특수하게 엔지니어링된 식염수 제형일 수 있다. 이러한 타입의 배터리는 콘택트 렌즈에 특히 유용할 수 있다. 식염수 전해질은 수산화칼륨 및 염화아연과 같은 고전적인 전해질보다 우수한 생체적합성을 가질 수 있다. 콘택트 렌즈는, 전형적으로 염화나트륨과 아마도 다른 염 및 완충제의 혼합물인 "패킹 용액" 내에 보관된다. 이러한 용액은 아연 애노드 및 이산화망간 캐소드와 조합하여 배터리 전해질로서 입증되었다. 다른 전해질과 전극 조합이 가능하다. "염수" 배터리를 사용하는 콘택트 렌즈는 염화나트륨, 패킹 용액, 또는 심지어 누액(tear fluid)과 유사한 특수하게 엔지니어링된 전해질에 기반하는 전해질을 포함할 수 있다. 그러한 배터리는, 예를 들어, 패킹 용액으로 활성화될 수 있고, 눈에 대한 개방을 유지할 수 있고, 인간 눈물에 대한 노출로 계속하여 작동할 수 있다.
눈물과 보다 유사한 전해질을 사용하거나 실제로 눈물을 사용함으로써 생체적합성에 대한 가능한 이득에 더하여 또는 그것 대신에, 리저브 전지가 콘택트 렌즈 제품의 보존 수명 요건을 충족시키기 위해 사용될 수 있다. 전형적인 콘택트 렌즈는 3년 이상의 보관이 지정된다. 이는 작고 얇은 패키지를 갖는 배터리에 대해 힘든 요건이다. 콘택트 렌즈에 사용하기 위한 리저브 전지가 도 1 및 도 3에 도시된 것과 유사한 설계를 가질 수 있지만, 제조 시에 전해질이 첨가되지 않을 수 있다. 전해질은 콘택트 렌즈 내의 앰플(ampule) 내에 저장되고 배터리에 연결될 수 있거나, 또는 배터리를 둘러싸는 식염수가 전해질로서 사용될 수 있다. 콘택트 렌즈 및 배터리 패키지 내에서, 밸브 또는 포트가 사용자가 렌즈를 활성화시킬 때까지 전해질을 전극으로부터 분리시키도록 설계될 수 있다. 활성화시, 아마도 (글로우 스틱(glow stick)을 활성화시키는 것과 유사하게) 콘택트 렌즈의 에지를 간단히 핀칭함으로써, 전해질이 배터리 내로 유입되도록 그리고 전극들 사이의 이온 경로를 형성하도록 허용될 수 있다. 이는 전해질의 일회 전달을 수반할 수 있거나, 배터리를 지속적인 확산을 위해 노출시킬 수 있다.
일부 배터리 시스템은 화학 반응 중에 전해질을 사용하거나 소비할 수 있다. 따라서, 소정 체적의 전해질을 패키징된 시스템 내로 엔지니어링하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 전해질은 세퍼레이터 또는 저장소를 비롯한 다양한 위치에 저장될 수 있다.
일부 예에서, 배터리 시스템의 설계는 배터리 시스템의 방전 용량을 제한하도록 기능할 수 있는 구성요소 또는 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 애노드, 캐소드, 또는 전해질의 재료 및 재료의 양, 이들 중 하나가 배터리 시스템 내에서의 반응 과정 중에 우선 고갈될 수 있도록 설계하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 예에서, 애노드, 캐소드, 또는 전해질 중 하나의 고갈은 문제가 있는 방전과 부 반응(side reaction)이 보다 낮은 방전 전압에서 일어나지 않을 가능성을 감소시킬 수 있다. 이들 문제가 있는 반응은 예를 들어 안전성과 다른 요인에 유해할 수 있는 과도한 가스 또는 부산물을 생성할 수 있다.
모듈형 배터리 구성요소
일부 예에서, 모듈형 배터리 구성요소가 본 발명의 일부 태양과 예에 따라 형성될 수 있다. 이들 예에서, 모듈형 배터리 조립체는 생체의료 장치의 다른 부품과는 별개의 구성요소일 수 있다. 안과용 콘택트 렌즈 장치의 예에서, 그러한 설계는 매체 인서트의 나머지와는 별개인 모듈형 배터리를 포함할 수 있다. 모듈형 배터리 구성요소를 형성하는 많은 이점이 있을 수 있다. 예를 들어, 콘택트 렌즈의 예에서, 모듈형 배터리 구성요소는 강성의 3차원으로 형성된 광학 플라스틱 구성요소를 취급할 필요성을 완화시킬 수 있는 별개의 비-통합된 공정에서 형성될 수 있다. 또한, 제조의 소스들이 보다 가요성일 수 있고, 생체의료 장치 내의 다른 구성요소의 제조에 대해 보다 병렬 모드로 작동할 수 있다. 또한, 모듈형 배터리 구성요소의 제조는 3차원(3D) 형상의 장치의 특성으로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 3차원 최종 형태를 필요로 하는 응용에서, 모듈형 배터리 시스템은 평평하거나 대략 2차원(2D) 관점으로 제조된 다음에 적절한 3차원 형상으로 형상화될 수 있다. 모듈형 배터리 구성요소는 생체의료 장치의 나머지와 관계 없이 시험될 수 있고, 배터리 구성요소로 인한 수율 손실이 조립 전에 분류될 수 있다. 생성된 모듈형 배터리 구성요소는 배터리 구성요소가 그것 상에 형성될 수 있는 적절한 강성 영역을 구비하지 않는 다양한 매체 인서트 구조물에 이용될 수 있고; 또 추가의 예에서, 모듈형 배터리 구성요소의 사용은 웨브-기반 기술(롤투롤(roll to roll)), 시트-기반 기술(시트-투-시트(sheet-to-sheet)), 인쇄, 리소그래피, 및 "스퀴지" 처리와 같은, 그렇지 않을 경우 사용될 수 있는 것과는 상이한 제조 기술에 대한 옵션의 사용을 용이하게 할 수 있다. 모듈형 배터리의 일부 예에서, 그러한 장치의 개별 격납 양태는 추가의 재료가 전체 생체의료 장치 구조물에 추가되는 결과를 가져올 수 있다. 그러한 효과는 이용가능 공간 파라미터가 최소화된 용액 두께 또는 체적을 요구할 때 모듈형 배터리 해법의 사용에 대한 제약을 설정할 수 있다.
배터리 형상 요건은 배터리가 사용될 응용에 의해 적어도 부분적으로 주도될 수 있다. 전통적인 배터리 폼 팩터는 금속으로 제조되는, 원통형 형태 또는 직각 프리즘일 수 있고, 장기간 동안 많은 양의 전력을 필요로 하는 제품에 적합하도록 맞추어질 수 있다. 이들 응용은 그것들이 큰 폼 팩터 배터리를 포함할 수 있을 만큼 충분히 클 수 있다. 다른 예에서, 평면형(2D) 고체 상태 배터리는 전형적으로 비가요성 규소 또는 유리 상에 형성된, 얇은 직각 프리즘이다. 이들 평면형 고체 상태 배터리는 일부 예에서 규소 웨이퍼-가공 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 다른 타입의 배터리 폼 팩터에서, 저 전력, 가요성 배터리가 배터리 화학물질을 수용하기 위해 얇은 포일 또는 플라스틱을 사용하여 파우치 구조물로 형성될 수 있다. 이들 배터리는 평평하게(2D) 제조될 수 있고, 보통의 평면외(3D) 곡률로 구부러질 때 기능하도록 설계될 수 있다.
배터리가 가변 광학 렌즈에 채용될 수 있는 본 발명의 배터리 응용의 예들 중 일부에서, 폼 팩터는 배터리 구성요소의 3차원 곡률을 필요로 할 수 있으며, 여기서 그러한 곡률의 반경은 대략 8.4 mm의 정도일 수 있다. 그러한 곡률의 특성은 비교적 가파른 것으로 간주될 수 있고, 참고로, 사람 손가락 끝에서 발견되는 곡률의 타입에 가까울 수 있다. 비교적 가파른 곡률의 특성은 제조에 힘든 양태를 생성한다. 본 발명의 일부 예에서, 모듈형 배터리 구성요소는 그것이 평평한 2차원 방식으로 제조된 다음에 비교적 큰 곡률의 3차원 형태로 형성될 수 있도록 설계될 수 있다.
배터리 모듈 두께
생체의료 응용을 위한 배터리 구성요소의 설계시, 다양한 파라미터들 간의 절충이 이루어져 기술, 안전 및 기능 요건들을 균형화할 수 있다. 배터리 구성요소의 두께는 중요하고 제한적인 파라미터일 수 있다. 예를 들어, 광학 렌즈 응용에서, 사용자에 의해 편안하게 착용되는 장치의 능력은 생체의료 장치에 걸친 두께에 임계적인 의존성을 가질 수 있다. 따라서, 보다 얇은 결과를 위한 배터리 설계시 임계적인 가능화 양태가 있을 수 있다. 일부 예에서, 배터리 두께는 상부 및 하부 시트, 스페이서 시트, 및 접착제 층 두께의 조합된 두께에 의해 결정될 수 있다. 실제 제조 양태는 필름 두께의 소정 파라미터를 입수가능한 시트 스톡에서의 표준 값에 이르게 할 수 있다. 또한, 필름은 그것들이 화학적 상용성, 습기/가스 불투과성, 표면 마무리, 및 필름 층 상에 침착될 수 있는 코팅과의 상용성에 관한 기술적 고려사항에 기초하여 특정될 수 있는 최소 두께 값을 가질 수 있다.
일부 예에서, 완성된 배터리 구성요소의 원하는 또는 목표 두께는 220 μm 미만인 구성요소 두께일 수 있다. 이들 예에서, 이러한 원하는 두께는 예시적인 안과용 렌즈 장치의 3차원 기하학적 형상에 의해 주도될 수 있으며, 여기서 배터리 구성요소는 최종 사용자 편안함, 생체적합성, 및 수용 제약을 고려하면 하이드로겔 렌즈 형상에 의해 한정되는 이용가능 체적 내부에 끼워맞춤될 필요가 있을 수 있다. 이러한 체적 및 배터리 구성요소 두께의 필요성에 대한 그것의 영향은 총 장치 두께 사양뿐만 아니라 그것의 폭, 원추각, 및 내경에 관한 장치 사양의 함수일 수 있다. 생성되는 배터리 구성요소 설계에 대한 다른 중요한 설계 고려사항은 주어진 배터리 구성요소 설계에서 그러한 설계에 기인할 수 있는 생성된 화학 에너지에 관하여 활성 배터리 화학물질 및 재료에 이용가능한 체적에 관련될 수 있다. 이러한 생성된 화학 에너지는 이어서 그것의 목표로 하는 수명과 작동 조건을 위한 기능적 생체의료 장치의 전기적 요건을 위해 평형될 수 있다.
배터리 모듈 가요성
배터리 설계와 배터리 기반 에너지원을 이용하는 관련 장치의 설계와의 관련성의 다른 관점은 배터리 구성요소의 가요성이다. 가요성 배터리 형태에 의해 부여되는 많은 이점이 있을 수 있다. 예를 들어, 가요성 배터리 모듈은 배터리 형태를 2차원(2D)의 평평한 형태로 제조하는 이전에 언급된 능력을 용이하게 할 수 있다. 형태의 가요성은 2차원 배터리가 이어서 콘택트 렌즈와 같은 생체의료 장치 내로 끼워맞춤되기에 적절한 3D 형상으로 형성되도록 허용할 수 있다.
배터리 모듈의 가요성에 의해 부여될 수 있는 이득의 다른 예에서, 배터리와 후속 장치가 가요성이면, 장치의 사용에 관한 이점이 있을 수 있다. 예에서, 생체의료 장치의 콘택트 렌즈 형태가 표준, 비-충전식 하이드로겔 콘택트 렌즈의 삽입/제거에 보다 가까울 수 있는 매체 인서트 기반 콘택트 렌즈의 삽입/제거에 대한 이점을 가질 수 있다.
휨의 횟수가 배터리의 엔지니어링에 중요할 수 있다. 예를 들어, 평면 형태로부터 콘택트 렌즈에 적합한 형상으로 단지 일회 휘어질 수 있는 배터리는 다수회 휘어질 수 있는 배터리와는 상당히 상이한 설계를 가질 수 있다. 배터리의 휨은 또한 휨 이벤트를 기계적으로 견디는 능력을 넘어서 확대될 수 있다. 예를 들어, 전극이 물리적으로 파단 없이 휘어지는 것이 가능할 수 있지만, 전극의 기계적 및 전기화학적 특성은 휨에 의해 변화될 수 있다. 휨-유발 변화는 예를 들어 임피던스에 대한 변화로서 즉시 나타날 수 있거나, 휨은 단지 장기 보존 수명 시험에서 명백한 변화를 도입할 수 있다.
배터리 모듈 폭
본 발명의 생체적합성 동력공급 요소 또는 배터리가 이용될 수 있는 많은 응용이 있을 수 있다. 일반적으로, 배터리 폭 요건은 주로 그것이 적용되는 응용의 함수일 수 있다. 예시적인 경우에, 콘택트 렌즈 배터리 시스템이 모듈형 배터리 구성요소의 폭에 관한 사양에 대한 제약된 요구를 가질 수 있다. 장치가 배터리 구성요소에 의해 전력공급되는 가변 광학 기능을 갖는 안과용 장치의 일부 예에서, 장치의 가변 광학 부분은 직경이 약 7.0 mm인 중심 구형 영역을 차지할 수 있다. 예시적인 배터리 요소는, 중심 광학체 주위에 환형, 원추형 스커트로서 끼워맞춤되고 절두(truncated) 원추형 링으로 형성되는 3차원 물체로 간주될 수 있다. 강성 인서트의 요구되는 최대 직경이 8.50 mm의 직경이고, (예를 들어, 대략 8.40 mm 직경에서처럼) 소정 직경 구체에 대한 접촉이 목표화될 수 있는 경우, 기하학적 형상은 허용가능 배터리 폭이 그럴 수 있는 것에 영향을 미칠 수 있다. 일부 예에서 환체의 섹터로 납작해진 원추대(conical frustum)로 지칭될 수 있는 생성된 기하학적 형상에 대한 바람직한 사양을 계산하는 데 유용할 수 있는 기하학적 모델이 있을 수 있다.
납작해진 배터리 폭은 배터리 요소의 2가지 특징, 즉 능동 배터리 구성요소와 시일 폭에 의해 주도될 수 있다. 안과용 장치에 관한 일부 예에서, 목표 두께는 면당 0.100 mm 내지 0.500 mm일 수 있고, 능동 배터리 구성요소는 대략 0.800 mm 폭으로 목표화될 수 있다. 다른 생체의료 장치는 상이한 설계 제약을 가질 수 있지만, 가요성의 평평한 배터리 요소에 대한 원리가 유사한 방식으로 적용될 수 있다.
배터리 구성요소 설계에서 설계 요소로서의 공동
일부 예에서, 배터리 요소는 능동 배터리 화학물질의 영역들을 세그먼트화하는 방식으로 설계될 수 있다. 능동 배터리 구성요소를 개별 세그먼트들로 분할하는 것으로부터 많은 이점이 있을 수 있다. 비제한적인 예에서, 개별 그리고 보다 작은 요소의 제조는 요소의 생산을 용이하게 할 수 있다. 다수의 보다 작은 요소를 포함한 배터리 요소의 기능이 개선될 수 있다. 다양한 종류의 결함이 세그먼트화될 수 있고, 비-기능적 요소가 격리되어 일부 경우에 감소된 기능 상실을 가져올 수 있다. 이는 배터리 전해질의 손실이 발생할 수 있는 예에서 관련 있을 수 있다. 개별화된 구성요소들의 격리는 배터리의 임계 영역 밖으로의 전해질의 누출을 유발하는 결함이, 기능 상실을 전체 배터리 요소의 그러한 작은 세그먼트로 국한하도록 허용할 수 있는 반면, 결함을 통한 전해질 손실은 단일 전지로서 구성되는 배터리에 대해 상당히 더 큰 영역을 비울 수 있다. 보다 작은 전지는 전체적인 관점에서 능동 배터리 화학물질의 저하된 체적을 유발할 수 있지만, 보다 작은 전지들 각각을 둘러싸는 재료의 메시는 전체 구조의 보강을 가져올 수 있다.
배터리 요소 내부 시일
생체의료 장치에 사용하기 위한 배터리 요소의 일부 예에서, 배터리의 화학 작용은 수성 화학물질을 수반하며, 여기서 물 또는 습기가 제어하기 위한 중요한 성분이다. 따라서, 배터리 몸체 밖으로의 또는 그것 내로의 습기의 이동을 지연시키거나 방지하는 밀봉 메커니즘을 포함하는 것이 중요할 수 있다. 습기 장벽(moisture barrier)이 내부 습기 수준을 어떤 허용오차 내에서 계획된 수준으로 유지시키도록 설계될 수 있다. 일부 예에서, 습기 장벽은 2개의 섹션 또는 구성요소, 즉 패키지와 시일로 분할될 수 있다.
패키지는 인클로저의 주된 재료를 지칭할 수 있다. 일부 예에서, 패키지는 벌크 재료를 포함할 수 있다. 수증기 투과율(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)이 성능의 지표일 수 있으며, 이때 ISO, ASTM 표준이 시험 중에 작용하는 환경 조건을 포함한 시험 절차를 제어한다. 이상적으로, 우수한 배터리 패키지에 대한 WVTR은 "0"일 수 있다. 0이 아닌 WVTR을 갖는 예시적인 재료는 유리 및 금속 포일일 수 있다. 반면에, 플라스틱은 내재적으로 습기 투과성일 수 있고, 여러 타입들의 플라스틱에 대해 상당히 변할 수 있다. 엔지니어링된 재료, 라미네이트, 또는 공압출물이 보통 흔한 패키지 재료의 하이브리드일 수 있다.
시일은 2개의 패키지 표면 사이의 계면일 수 있다. 시일 표면들의 연결은 패키지와 함께 인클로저를 마감한다. 많은 예에서, 시일 설계의 특성은 ISO 또는 ASTM 표준을 사용하여 측정을 수행하는 데 있어서의 어려움으로 인해 그것들을 시일의 WVTR에 대해 특성화하기 어렵게 만들 수 있는데, 그 이유는 샘플 크기 또는 표면적이 그들 절차와 적합하지 않을 수 있기 때문이다. 일부 예에서, 시일 완전성을 시험하기 위한 실용적인 방식은 일부 한정된 조건에 대해 실제 시일 설계의 기능적 시험일 수 있다. 시일 성능은 시일 재료, 시일 두께, 시일 길이, 시일 폭, 및 패키지 기재에 대한 시일 접착력 또는 밀착성(intimacy)의 함수일 수 있다.
일부 예에서, 시일은 열, 레이저, 용매, 마찰, 초음파, 또는 아크 처리를 수반할 수 있는 용접 공정에 의해 형성될 수 있다. 다른 예에서, 시일은 글루(glue), 에폭시, 아크릴, 천연 고무, 및 합성 고무와 같은 접착 밀봉제의 사용을 통해 형성될 수 있다. 다른 예가 몇 가지 비제한적인 예를 들어 코르크, 천연 및 합성 고무, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌, 및 실리콘으로부터 형성될 수 있는 개스킷 타입 재료의 이용으로부터 도출될 수 있다.
일부 예에서, 본 발명에 따른 배터리는 지정된 작동 수명을 갖도록 설계될 수 있다. 작동 수명은 특정 배터리 시스템을 사용하여 얻어질 수 있는 습기 투과율의 실제 양을 결정한 다음에 그러한 습기 누출이 배터리에 대한 수명 조건의 종료를 가져올 수 있는 때를 추정함으로써 추정될 수 있다. 예를 들어, 배터리가 습한 환경에 보관되면, 배터리의 내부와 외부 사이의 분압 차이가 최소일 것이어서, 감소된 습기 손실률을 가져올 것이며, 따라서 배터리 수명이 연장될 수 있다. 특히 건조하고 고온인 환경에 보관된 동일한 예시적인 배터리는 습기 손실에 대한 강한 구동 함수로 인해 상당히 감소된 예측가능 수명을 가질 수 있다.
배터리 요소 세퍼레이터
본 발명에 기술된 타입의 배터리는 애노드와 애노드 전류 콜렉터 부분을 캐소드와 캐소드 전류 콜렉터 부분으로부터 물리적으로 그리고 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터 재료를 이용할 수 있다. 세퍼레이터는 물 및 용해된 전해질 성분에 대해 투과성인 멤브레인일 수 있지만; 그것은 전형적으로 전기적으로 비-전도성일 수 있다. 무수한 구매가능한 세퍼레이터 재료가 당업자에게 알려져 있을 수 있지만, 본 발명의 새로운 폼 팩터는 세퍼레이터 선택, 처리, 및 취급의 과제에 특유의 제약을 가할 수 있다.
본 발명의 설계가 초박 프로파일을 가질 수 있기 때문에, 선택이 전형적으로 입수가능한 가장 얇은 세퍼레이터 재료로 제한될 수 있다. 예를 들어, 두께가 대략 25 마이크로미터인 세퍼레이터가 바람직할 수 있다. 유리할 수 있는 일부 예는 두께가 약 12 마이크로미터일 수 있다. 셀가드(Celgard)(미국 노스캐롤라이나주 샬럿)에 의해 제조되는 것과 같은 미소섬유상, 미공성 폴리에틸렌 단층 및/또는 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌(PP/PE/PP) 삼층 세퍼레이터 멤브레인을 포함한 많은 허용가능한 상업용 세퍼레이터가 있을 수 있다. 세퍼레이터 재료의 바람직한 예는 12 마이크로미터의 두께를 갖는 셀가드 M824 PP/PE/PP 삼층 멤브레인일 수 있다. 본 발명의 예에 유용한 세퍼레이터 재료의 대안적인 예는 재생 셀룰로오스(예컨대, 셀로판)를 포함하는 세퍼레이터 멤브레인을 포함할 수 있다.
PP/PE/PP 삼층 세퍼레이터 멤브레인이 그것들의 폴리올레핀 특성으로 인해 유리한 두께 및 기계적 특성을 가질 수 있지만, 그것들은 또한 그것들을 본 발명의 예에 유용하게 만들기 위해 극복되는 것이 필요할 수 있는 다수의 단점을 겪을 수 있다. PP/PE/PP 삼층 세퍼레이터 재료의 롤 또는 시트 스톡은 본 명세서에 기술된 배터리에 적용가능한 마이크로미터-수준 허용오차에 유해할 수 있는 많은 주름 또는 다른 형상 오차(form error)를 가질 수 있다. 또한, 폴리올레핀 세퍼레이터는 본 설계에의 포함을 위해 초정밀 허용오차로 커팅될 필요가 있을 수 있으며, 이는 따라서 개별 전류 콜렉터들을 엄격한 허용오차를 갖는 바람직한 형상으로 형성하는 예시적인 방법으로서 레이저 커팅을 시사할 수 있다. 이들 세퍼레이터의 폴리올레핀 특성으로 인해, 미세 제조에 유용한 소정 커팅 레이저가 폴리올레핀을 커팅하지 않을 레이저 파장, 예컨대 355 nm를 채용할 수 있다. 폴리올레핀은 레이저 에너지를 눈에 띄게 흡수하지 않으며, 따라서 어블레이션이 불가능하다. 마지막으로, 폴리올레핀 세퍼레이터는 내재적으로 본 명세서에 기술된 배터리에 사용되는 수성 전해질로 습윤가능하지 않을 수 있다.
그럼에도 불구하고, 폴리올레핀 타입 멤브레인에 대한 이들 내재적 한계를 극복하기 위한 방법이 있을 수 있다. 미공성 세퍼레이터 멤브레인을 피스들을 호 세그먼트 또는 다른 유리한 세퍼레이터 설계로 커팅하기 위한 고정밀 커팅 레이저에 제공하기 위해, 멤브레인은 평평하고 주름이 없을 필요가 있을 수 있다. 이들 두 조건이 충족되지 않으면, 세퍼레이터 멤브레인은 커팅 빔이 입사 레이저 에너지의 초점이탈 또는 그것을 달리 산란시킴으로 인해 저지될 수 있기 때문에 완전히 커팅되지 않을 수 있다. 또한, 세퍼레이터 멤브레인이 평평하고 주름이 없지 않으면, 세퍼레이터 멤브레인의 형태 정확도와 기하학적 허용오차가 충분히 달성되지 않을 수 있다. 현재 예의 세퍼레이터에 대한 허용가능한 허용오차는 예를 들어 특성 길이 및/또는 반경에 관하여 +0 마이크로미터 내지 -20 마이크로미터일 수 있다. +0 마이크로미터 내지 -10 마이크로미터의 보다 엄격한 허용오차와 또한 +0 마이크로미터 내지 -5 마이크로미터의 허용오차에 대한 이점이 있을 수 있다. 세퍼레이터 스톡 재료는 재료를 적절한 저-휘발성 액체로 플로트 유리 캐리어에 일시적으로 라미네이팅함으로써 평평하고 주름이 없게 만들어질 수 있다. 저-휘발성 액체가 세퍼레이터 멤브레인의 취성으로 인해 그리고 세퍼레이터 멤브레인을 접착제 층으로부터 해제시키는 데 요구될 수 있는 처리 시간의 양으로 인해 임시 접착제에 비해 이점을 가질 수 있다. 또한, 일부 예에서, 액체를 사용하여 플로트 유리 상에 평평하고 주름 없는 세퍼레이터 멤브레인을 달성하는 것이 접착제를 사용하는 것보다 훨씬 더 용이하다는 것을 알게 되었다. 라미네이션 전에, 세퍼레이터 멤브레인은 미립자가 없게 만들어질 수 있다. 이는 임의의 표면-접착 미립자를 제거하기 위한 세퍼레이터 멤브레인의 초음파 세정에 의해 달성될 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터 멤브레인의 취급은 층류 후드(laminar flow hood) 또는 적어도 등급 10,000의 클린룸(cleanroom)과 같은 적합한 저-입자 환경에서 행해질 수 있다. 또한, 플로트 유리 기재는 적절한 용매에 의한 린싱(rinsing), 초음파 세정, 및/또는 클린 룸 와이프(wipe)에 의한 와이핑(wiping)에 의해 미립자 없게 만들어질 수 있다.
매우 다양한 저-휘발성 액체가 미공성 폴리올레핀 세퍼레이터 멤브레인을 플로트 유리 캐리어에 라미네이팅하는 기계적 목적을 위해 사용될 수 있지만, 개별 세퍼레이터 형상들의 후속 레이저 커팅을 용이하게 하기 위해 특정 요건이 액체에 부과될 수 있다. 하나의 요건은 액체가 육안 검사(visual inspection)에 의해 쉽게 확인될 수 있는 세퍼레이터 재료의 기공에 스며들기에 충분히 낮은 표면 장력을 갖는 것일 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터 재료는 액체가 재료의 미공을 충전할 때 백색으로부터 반투명 외양으로 변한다. 세퍼레이터의 준비 및 커팅 작업에 노출될 작업자에게 무해하고 "안전"할 수 있는 액체를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 처리 기간(약 1일) 동안 눈에 띄는 증발이 일어나지 않도록 그것의 증기압이 충분히 낮을 수 있는 액체를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 마지막으로, 일부 예에서, 액체는 레이저 커팅 작업을 용이하게 할 수 있는 유리한 UV 흡수제를 용해시키기에 충분한 용매력을 가질 수 있다. 예에서, 벤질 벤조에이트 용매 중 아보벤존 UV 흡수제의 12% (w/w) 용액이 전술된 요건을 충족시킬 수 있고, 커팅 레이저 빔의 과도한 통과 횟수 없이 신속하게 높은 정밀도와 허용오차로 폴리올레핀 세퍼레이터의 레이저 커팅을 용이하게 하는데 적합할 수 있음을 알았다. 일부 예에서, 세퍼레이터는 이러한 접근법을 사용하여 8 W 355 nm 나노초 다이오드-펌핑식 고체 상태 레이저로 커팅될 수 있으며, 여기서 레이저는 낮은 전력 감쇠(예컨대, 3% 전력), 1 내지 10 mm/s의 적정 속도, 및 레이저 빔의 단지 1회 내지 3회 통과에 대한 세팅을 가질 수 있다. 이러한 UV-흡수 유성 조성물이 효과적인 라미네이팅 및 커팅 가공 보조제인 것으로 판명되었지만, 다른 유성 제형이 당업자에 의해 구상되고 제한 없이 사용될 수 있다.
일부 예에서, 세퍼레이터는 플로트 유리에 고정된 상태에서 커팅될 수 있다. 플로트 유리 캐리어에 고정된 상태에서 세퍼레이터를 레이저 커팅하는 하나의 이점은 매우 높은 수 밀도의 세퍼레이터들이 하나의 세퍼레이터 스톡 시트로부터 커팅될 수 있고, 반도체 다이와 많이 유사하게 규소 웨이퍼 상에 조밀하게 배치될 수 있다는 것일 수 있다. 그러한 접근법은 반도체 공정에 내재적인 규모의 경제와 병렬 처리 이점을 제공할 수 있다. 또한, 폐물 세퍼레이터 멤브레인의 발생이 최소화될 수 있다. 일단 세퍼레이터가 커팅되었으면, 유성 가공 보조제 유체가 혼화성 용매로 일련의 추출 단계에 의해 제거될 수 있으며, 마지막 추출은 일부 예에서 아이소프로필 알코올과 같은 고-휘발성 용매로 수행될 수 있다. 개별 세퍼레이터들은, 일단 추출되면, 임의의 적합한 저-입자 환경에 무기한 보관될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 폴리올레핀 세퍼레이터 멤브레인은 내재적으로 소수성일 수 있고, 본 발명의 배터리에 사용되는 수성 계면활성제에 대해 습윤가능하게 만들어질 필요가 있을 수 있다. 세퍼레이터 멤브레인을 습윤가능하게 만들기 위한 하나의 접근법은 산소 플라즈마 처리일 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터는 매우 다양한 전력 세팅과 산소 유량으로 100% 산소 플라즈마에서 1 내지 5분 동안 처리될 수 있다. 이러한 접근법이 습윤성을 당분간 개선할 수 있지만, 플라즈마 표면 개질이 전해질 용액의 강건한 습윤에 충분히 길게 지속되지 않을 수 있는 일시적인 효과를 제공하는 것이 잘 알려져 있을 수 있다. 세퍼레이터 멤브레인의 습윤성을 개선하기 위한 다른 접근법은 멤브레인 상에 적합한 계면활성제를 포함시킴으로써 표면을 처리하는 것일 수 있다. 일부 경우에, 계면활성제는 세퍼레이터 멤브레인의 기공 내에 잔류하는 친수성 중합체 코팅과 함께 사용될 수 있다.
산화 플라즈마 처리에 의해 부여되는 친수성에 더욱 많은 영속성을 제공하기 위한 다른 접근법은 적합한 친수성 유기실란을 이용한 후속 처리에 의한 것일 수 있다. 이러한 방식으로, 산소 플라즈마는 미공성 세퍼레이터의 전체 표면적에 걸쳐 작용기를 활성화시키고 부여하는 데 사용될 수 있다. 유기실란은 이어서 플라즈마 처리된 표면에 공유 결합 및/또는 비-공유 접착될 수 있다. 유기실란을 사용하는 예에서, 미공성 세퍼레이터의 내재적 다공성은 눈에 띄게 변하지 않을 수 있으며, 단층 표면 커버리지가 또한 가능하고 요망될 수 있다. 중합체 코팅과 함께 계면활성제를 포함하는 종래 기술의 방법은 멤브레인에 적용되는 코팅의 실제 양에 대한 엄격한 제어를 필요로 할 수 있고, 이어서 공정 가변성을 겪을 수 있다. 극단적인 경우에, 세퍼레이터의 기공은 차단되어서, 전기화학 전지의 작동 중에 세퍼레이터의 유용성에 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 본 발명에 유용한 예시적인 유기실란은 (3-아미노프로필)트라이에톡시실란일 수 있다. 다른 친수성 유기실란이 당업자에게 알려져 있을 수 있고, 제한 없이 사용될 수 있다.
세퍼레이터 멤브레인을 수성 전해질에 의해 습윤가능하게 만들기 위한 또 다른 방법은 전해질 제형 내에 적합한 계면활성제를 포함시키는 것일 수 있다. 세퍼레이터 멤브레인을 습윤가능하게 만들기 위한 계면활성제의 선택에 있어서의 하나의 고려사항은, 계면활성제가, 예를 들어, 전지의 전기 임피던스를 증가시킴으로써 전기화학 전지 내의 하나 이상의 전극의 활성에 대해 미칠 수 있는 영향일 수 있다. 일부 경우에, 계면활성제는, 특히 수성 전해질 중 아연 애노드의 경우에, 유리한 방식(anti-corrosion) 특성을 가질 수 있다. 아연은 물과 느린 반응을 겪어 수소 가스를 유리시키는 것으로 알려진 예일 수 있으며, 이는 바람직하지 않을 수 있다. 많은 계면활성제가 상기 반응의 속도를 유리한 수준으로 제한하는 것으로 당업자에게 알려져 있을 수 있다. 다른 경우에, 계면활성제는 아연 전극 표면과 강하게 상호작용할 수 있어서, 배터리 성능이 방해될 수 있다. 결과적으로, 전지의 전기화학적 성능에 유해하게 영향을 미침이 없이 세퍼레이터 습윤성이 얻어질 수 있는 것을 보장하기 위해 적절한 계면활성제 타입과 로딩 수준의 선택시 많은 주의가 기울여질 필요가 있을 수 있다. 일부 경우에, 복수의 계면활성제가 사용될 수 있으며, 이때 하나는 세퍼레이터 멤브레인에 습윤성을 부여하기 위해 존재하고, 다른 것은 아연 애노드에 대한 방식 특성을 가능하게 하기 위해 존재한다. 일례에서, 친수성 처리가 세퍼레이터 멤브레인에 대해 행해지지 않고, 계면활성제 또는 복수의 계면활성제가 세퍼레이터 멤브레인의 습윤성을 달성하기에 충분한 양으로 전해질 제형에 첨가된다.
개별 세퍼레이터들이 조립체 내의 설계된 공동, 포켓, 또는 구조물을 포함한 저장을 위한 수단 내에 직접 배치함으로써 층상 마이크로배터리에 통합될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 저장 수단은 세퍼레이터 형상의 기하학적 오프셋(offset)일 수 있는 컷아웃(cutout)을 갖는 층상 구조물에 의해 형성되어, 조립체 내의 공동, 포켓, 또는 구조물을 생성할 수 있다. 또한, 저장 수단은 세퍼레이터가 조립 중에 그것 상에 놓이는 레지(ledge) 또는 단차부(step)를 구비할 수 있다. 레지 또는 단차부는 선택적으로 개별 세퍼레이터를 유지시키는 감압 접착제를 포함할 수 있다. 유리하게는, 감압 접착제는 예시적인 층상 마이크로배터리의 다른 요소의 구성 및 적층에 사용된 것과 동일한 것일 수 있다.
감압 접착제
일부 예에서, 본 발명의 층상 마이크로배터리를 포함하는 복수의 구성요소가, 또한 밀봉제의 역할을 하는 감압 접착제(pressure-sensitive adhesive, PSA)로 함께 유지될 수 있다. 무수한 구매가능한 감압 접착제 제형이 존재할 수 있지만, 그러한 제형은 거의 항상 그것들을 생체적합성 층상 마이크로배터리 내에 사용하기에 부적합하게 만들 수 있는 성분을 포함한다. 감압 접착제 내의 바람직하지 않은 성분의 예는 저 분자 질량 침출가능 성분, 산화방지제, 예컨대 BHT 및/또는 MEHQ, 가소화 오일, 불순물, 예를 들어 불포화 화학 결합, 잔류 용매 및/또는 단량체를 함유하는 산화 불안정 모이어티(moiety), 중합 개시제 단편, 극성 점착부여제 등을 포함할 수 있다.
반면에 적합한 PSA는 다음의 특성을 보일 수 있다. 그것들은 층상 구성요소에 적용되어 약 2 내지 20 마이크로미터의 얇은 층을 달성할 수 있다. 또한, 그것들은 최소의, 예를 들어 0의 바람직하지 않은 또는 비-생체적합성 성분을 포함할 수 있다. 또한, 그것들은 층상 배터리의 구성요소들을 함께 결합하기에 충분한 접착 및 응집 특성을 가질 수 있다. 또한, 그것들은 본 구성의 장치에 내재하는 마이크로미터-규모 특징부 내로 유입될 수 있으면서 배터리 내의 전해질의 강건한 밀봉을 제공할 수 있다. 적합한 PSA의 일부 예에서, PSA는 배터리가 장기간 동안 극도의 습도를 겪을 수 있을 때에도 배터리 내의 바람직한 수성 전해질 조성물을 유지시키기 위해 낮은 수증기 투과율을 가질 수 있다. PSA는 산, 계면활성제, 및 염과 같은 전해질의 성분에 대한 우수한 내화학성을 가질 수 있다. 그것들은 수침(water immersion)의 영향에 대해 불활성일 수 있다. 적합한 PSA는 아연 애노드의, 자체-방전의 형태일 수 있는, 직접 산화의 속도를 최소화시키기 위해 낮은 산소 투과율을 가질 수 있다. 그리고, 그것들은 수성 전해질 중 아연 애노드로부터 느리게 방출될 수 있는 수소 가스에 대한 유한한 투과율을 가능하게 할 수 있다. 수소 가스에 대한 유한한 투과율의 이러한 특성은 내부 압력의 증가를 피할 수 있다.
이들 요건을 고려하면, 폴리아이소부틸렌(PIB)이 모두는 아니더라도 많은 바람직한 요건을 충족시키는 PSA 조성물로 제형화될 수 있는 구매가능한 재료일 수 있다. 또한, PIB는 매우 낮은 물 흡수도와 낮은 산소 투과율을 갖는 우수한 장벽 밀봉제일 수 있다. 본 발명의 예에 유용한 PIB의 예는 바스프 코포레이션(BASF Corporation)에 의한 오파놀(Oppanol)(등록상표) B15일 수 있다. 오파놀(등록상표) B15는 톨루엔, 헵탄, 도데칸, 미네랄 스피릿 등과 같은 탄화수소 용매에 용해될 수 있다. 하나의 예시적인 PSA 조성물은 70% (w/w) 톨루엔과 30% 도데칸을 포함하는 용매 혼합물 중 30% 오파놀(등록상표) B15 (w/w)를 포함할 수 있다. PIB 기반 PSA의 접착 및 리올로지 특성은 일부 예에서 다양한 분자 질량 등급들의 PIB의 블렌딩에 의해 결정될 수 있다. 흔한 접근법은 다량의 저 몰 질량 PIB, 예컨대 오파놀(등록상표) B10을 사용하여 습윤, 점착성, 및 접착력에 영향을 미치고, 소량의 고 몰 질량 PIB를 사용하여 인성과 유동 저항에 영향을 미치는 것일 수 있다. 결과적으로, 임의의 수의 PIB 몰 질량 등급의 블렌드가 구상될 수 있고, 본 발명의 범주 내에서 실시될 수 있다. 또한, 전술된 요건이 충족될 수 있는 한 점성부여제가 PSA 제형에 첨가될 수 있다. 본질적으로, 점성부여제는 PSA 제형에 극성 특성을 부여하여서, 그것들은 PSA의 장벽 특성에 불리하게 영향을 미치지 않도록 신중하게 사용될 필요가 있을 수 있다. 또한, 점성부여제는 일부 경우에 산화 불안정할 수 있고, PSA 밖으로 침출될 수 있는 산화방지제를 포함할 수 있다. 이들 이유로, 생체적합성 층상 마이크로배터리용 PSA에 사용하기 위한 예시적인 점성부여제는 이스트만 케미칼 코포레이션(Eastman Chemical Corporation)으로부터의 리갈레즈(Regalrez) 시리즈의 점성부여제들과 같은 완전 또는 대부분 수소화된 탄화수소 수지 점성부여제를 포함할 수 있다.
생체적합성 배터리 모듈에서 추가의 패키지 및 기재 고려사항
생체적합성 층상 마이크로배터리에 사용되는 패키지 설계를 위한 바람직한 특성을 나타낼 수 있는 많은 패키징 및 기재 고려사항이 있을 수 있다. 예를 들어, 패키징은 바람직하게는 주로 포일 및/또는 필름 기반일 수 있으며, 여기서 이들 패키징 층은 가능한 한 얇을 수 있는데, 예를 들어 10 내지 50 마이크로미터이다. 또한, 패키징은 보존 수명 중에 습기 이득 또는 손실에 대한 충분한 확산 장벽을 제공할 수 있다. 많은 바람직한 예에서, 패키징은 직접 산화에 의한 아연 애노드의 열화를 제한하기 위해 산소 침입에 대한 충분한 확산 장벽을 제공할 수 있다.
일부 예에서, 패키징은 아연에 의한 물의 직접 환원으로 인해 방출될 수 있는 수소 가스에 유한한 침투 경로를 제공할 수 있다. 그리고, 패키징은 바람직하게는 사용자에 대한 잠재적인 노출이 최소화될 수 있도록 배터리의 내용물들을 충분히 수용할 수 있고 격리시킬 수 있다.
본 발명에서, 패키징 구조물은 다음의 타입의 기능 구성요소, 즉, 상부 및 하부 패키징 층, PSA 층, 스페이서 층, 상호연결 구역, 충전 포트, 및 이차 패키징을 포함할 수 있다.
일부 예에서, 상부 및 하부 패키징 층은 금속 포일 또는 중합체 필름을 포함할 수 있다. 상부 및 하부 패키징 층은 복수의 중합체 및/또는 장벽 층을 포함하는 다층 필름 구조물을 포함할 수 있다. 그러한 필름 구조물은 공압출된 장벽 라미네이트 필름으로 지칭될 수 있다. 본 발명에 특히 유용한 상업용 공압출된 장벽 라미네이트 필름의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 캐리어 웨브, 증착된 알루미늄 장벽 층, 및 33 마이크로미터의 총 평균 필름 두께를 포함하는 폴리에틸렌 층으로 이루어진 쓰리엠(3M)(등록상표) 스카치팩(Scotchpak) 1109 배킹일 수 있다. 많은 다른 유사한 다층 장벽 필름이 입수가능할 수 있고, 본 발명의 대안적인 예에 사용될 수 있다.
PSA를 포함하는 설계 구성에서, 패키징 층 표면 조도가 특히 중요할 수 있는데, 왜냐하면 PSA가 또한 대향하는 패키징 층 면들을 밀봉할 필요가 있을 수 있기 때문이다. 표면 조도는 포일과 필름 생산에 사용되는 제조 공정, 예를 들어 특히 롤링, 압출, 엠보싱 및/또는 캘린더링을 채용하는 공정에 기인할 수 있다. 표면이 너무 거칠면, 원하는 PSA 두께가 대략 표면 조도 Ra(조도 프로파일의 산술 평균)일 수 있을 때 PSA가 균일한 두께로 적용되는 것이 가능하지 않을 수 있다. 또한, 대향 면이 대략 PSA 층 두께일 수 있는 조도를 가지면, PSA가 대향 면을 적절히 밀봉하지 않을 수 있다. 본 발명에서, 10 마이크로미터 미만의 표면 조도 Ra를 갖는 패키징 재료가 허용가능한 예일 수 있다. 일부 예에서, 표면 조도 값은 5 마이크로미터 이하일 수 있다. 그리고, 또 추가의 예에서, 표면 조도는 1 마이크로미터 이하일 수 있다. 표면 조도 값은 백색 광 간섭법, 스타일러스 프로필로메트리(stylus profilometry) 등과 같은 측정 기술을 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 방법에 의해 측정될 수 있다. 표면 조도가 다수의 대안적인 파라미터에 의해 기술될 수 있고, 본 명세서에서 논의되는 값인 평균 표면 조도 Ra가 전술된 제조 공정에 내재하는 특징부의 타입을 나타내도록 의도될 수 있는 표면 측량학의 분야에 많은 예가 있을 수 있다.
생체적합성 동력공급의 예시적인 예시된 처리 - 배치된 세퍼레이터
생체적합성 동력공급 요소의 처리에 관련될 수 있는 단계의 예가 도 4a 내지 도 4n을 참조하여 확인될 수 있다. 이러한 예시적인 단계 중 일부에서의 처리가 개별 도면에서 확인될 수 있다. 도 4a에, PET 캐소드 스페이서(401)와 PET 갭 스페이서(404)의 조합이 예시될 수 있다. PET 캐소드 스페이서(401)는 예를 들어 대략 3 밀(mil) 두께일 수 있는 PET의 필름(403)을 적용함으로써 형성될 수 있다. PSA 층이 PET 층의 양면 상에서 확인될 수 있거나, 이들은 두께가 대략 1 밀일 수 있는 PVDF 이형 층(402)으로 캡핑될(capped) 수 있다. PET 갭 스페이서(404)는 두께가 대략 3 밀일 수 있는 PVDF 층(409)으로 형성될 수 있다. 두께가 대략 0.5 밀일 수 있는 캡핑(capping) PET 층(405)이 있을 수 있다. PVDF 층(409)과 캡핑 PET 층(405) 사이에, 일부 예에서, PSA의 층이 있을 수 있다.
도 4b로 진행하여 살펴보면, PET 갭 스페이서 층(404) 내의 구멍(406)이 레이저 커팅 처리에 의해 커팅될 수 있다. 이어서, 도 4c에서, 커팅된 PET 갭 스페이서 층(404)이 PET 캐소드 스페이서 층(401)에 라미네이팅될 수 있다(408). 도 4d로 진행하여 살펴보면, 캐소드 스페이서 구멍(410)이 레이저 커팅 처리에 의해 커팅될 수 있다. 이러한 커팅 단계의 정렬은 PET 갭 스페이서 층(404) 내의 이전에 커팅된 특징부에 정합될 수 있다. 도 4e에서, 최종 세퍼레이터 층을 위한 셀가드의 층(412)이 캐리어(411)에 접합될 수 있다. 도 4f로 진행하여 살펴보면, 셀가드 재료가 이전의 2개의 레이저 커팅된 구멍의 크기와 대략 PET 갭 스페이서(404) 내의 구멍(406)의 크기 사이에 있는 특징부로 커팅되어, 사전커팅된 세퍼레이터(420)를 형성할 수 있다. 도 4g로 진행하여 살펴보면, 픽 앤드 플레이스 공구(pick and place tool)(421)가 셀가드의 별개의 피스를 성장 장치 상의 그들의 원하는 위치로 취출 및 배치하기 위해 사용될 수 있다. 도 4h에서, 배치된 셀가드 피스(422)가 적소에 고정되고, 이어서 PVDF 이형 층(423)이 제거될 수 있다. 도 4i로 진행하여 살펴보면, 성장 장치 구조물이 애노드의 필름(425)에 접합될 수 있다. 애노드(425)는 아연 애노드 필름이 그 상에 전착되어 있는 애노드 콜렉터 필름을 포함할 수 있다.
도 4j로 진행하여 살펴보면, 캐소드 슬러리(430)가 형성된 갭 내에 배치될 수 있다. 스퀴지(431)가 일부 예에서 캐소드 혼합물을 피가공물에 걸쳐 도포하고 이러한 과정에서 형성되는 배터리 장치의 갭을 충전시키기 위해 사용될 수 있다. 충전 후에, 잔류 PVDF 이형 층(432)이 제거될 수 있으며, 이는 도 4k에 예시된 구조물을 생성할 수 있다. 도 4l에서, 전체 구조물이 캐소드 슬러리(440)를 또한 PET 층 상부의 높이에 있도록 수축시킬 수 있는 건조 공정을 받을 수 있다. 도 4m으로 진행하여 살펴보면, 이미 그 상에 캐소드 콜렉터 필름을 구비할 수 있는 캐소드 필름 층(450)이 성장 구조물에 접합될 수 있다. 도 4n에서, 측부 영역(460)을 제거하고 배터리 요소(470)를 생산하기 위해 레이저 커팅 공정이 수행될 수 있다. 본 발명의 의도 내에서 유용할 수 있는 재료 및 두께 목표에 대한 많은 변화, 삭제, 변경이 있을 수 있다.
예시적인 처리의 결과가 도 5에 어느 정도 상세히 도시될 수 있다. 예에서, 하기의 기준 특징부가 한정될 수 있다. 캐소드 화학물질(510)이 캐소드 및 캐소드 콜렉터(520)와 접촉하여 위치될 수 있다. 감압 접착제 층(530)이 캐소드 콜렉터(520)를 PET 스페이서 층(540)에 유지시키고 밀봉시킬 수 있다. PET 스페이서 층(540)의 다른 면 상에, PET 스페이서 층(540)을 PET 갭 층(560)에 밀봉시키고 접착시키는 다른 PSA 층(550)이 있을 수 있다. 다른 PSA 층(565)이 PET 갭 층(560)을 애노드 및 애노드 전류 콜렉터 층에 밀봉시키고 접착시킬 수 있다. 아연 도금된 층(570)이 애노드 전류 콜렉터(580) 상에 도금될 수 있다. 세퍼레이터 층(590)은 본 발명에 한정되었던 바와 같은 관련 기능을 수행하기 위해 구조물 내에 위치될 수 있다. 일부 예에서, 전해질이 장치의 처리 중에 첨가될 수 있으며, 다른 예에서, 세퍼레이터가 이미 전해질을 포함할 수 있다.
생체적합성 동력공급의 예시적인 처리 예시 - 침착된 세퍼레이터
생체적합성 동력공급 요소의 처리에 관련될 수 있는 단계의 예가 도 6a 내지 도 6f에서 확인될 수 있다. 이러한 예시적인 단계 중 일부에서의 처리가 개별 도면에서 확인될 수 있다. 본 발명의 의도 내에서 유용할 수 있는 재료 및 두께 목표에 대한 많은 변화, 삭제, 변경이 있을 수 있다.
도 6a에서, 예시적인 층상 구조물(600)이 예시되어 있다. 층상 구조물은 2개의 층상 구조물 이형 층(602, 602a); 층상 구조물 이형 층(602, 602a) 사이에 위치되는 2개의 층상 구조물 접착제 층(604, 604a); 및 2개의 층상 구조물 접착제 층(604, 604a) 사이에 위치되는 층상 구조물 코어(606)를 포함할 수 있다. 층상 구조물 이형 층(602, 602a)과 접착제 층(604, 604a)은 제조되거나 주 라이너 층을 가진 구매가능한 감압 접착제 전사 테이프와 같이 구입될 수 있다. 층상 구조물 접착제 층은 두께가 대략 1 내지 3 밀리미터이고 층상 구조물 코어(606)를 캡핑할 수 있는 PVDF 층일 수 있다. 층상 구조물 코어(606)는 예를 들어 대략 3 밀리미터 두께일 수 있는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 열가소성 중합체 수지를 포함할 수 있다. 도 6b로 진행하여 살펴보면, 캐소드 포켓(608)을 위한 공동과 같은, 캐소드 혼합물을 저장하기 위한 수단이 레이저 커팅 처리에 의해 층상 구조물 내에 커팅될 수 있다.
이어서, 도 6c에서, 하부 층상 구조물 이형 층(602a)이 층상 구조물로부터 제거되어, 층상 구조물 접착제 층(604a)을 노출시킬 수 있다. 이어서, 층상 구조물 접착제 층(604a)이 애노드 연결 포일(610)에 접착되어 캐소드 포켓(608)의 하부 개구를 덮기 위해 사용될 수 있다. 도 6d로 진행하여 살펴보면, 애노드 연결 포일(610)이 마스킹 층(612)을 접착시킴으로써 노출된 하부 층 상에서 보호될 수 있다. 마스킹 층(612)은 주 라이너를 가진 구매가능한 PSA 전사 테이프일 수 있다. 이어서, 도 6e에서, 애노드 연결 포일(610)이 캐소드 포켓 내부에 있는 애노드 연결 포일(610)의 노출된 섹션을 코팅하는 응집성 금속(coherent metal)(614), 예를 들어 아연으로 전기도금될 수 있다. 도 6f로 진행하여 살펴보면, 전기도금 후에 애노드 집전 마스킹 층(612)이 애노드 연결 포일(610)의 하부로부터 제거된다.
도 7a 내지 도 7f는 도 6a 내지 도 6f에 예시된 단계를 처리하는 대안의 예시적인 모드를 예시한다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 유사한 공정을 예시할 수 있다. 층상 구조물은 양단부에 한 층씩 있는 2개의 층상 구조물 이형 층(702, 702a); 층상 구조물 이형 층(702, 702a) 사이에 위치되는 2개의 층상 구조물 접착제 층(704, 704a); 및 2개의 층상 구조물 접착제 층(704, 704a) 사이에 위치되는 층상 구조물 코어(706)를 포함할 수 있다. 층상 구조물 이형 층과 접착제 층은 제조되거나 주 라이너 층을 가진 구매가능한 감압 접착제 전사 테이프와 같이 구입될 수 있다. 층상 구조물 접착제 층은 두께가 대략 1 내지 3 밀리미터이고 층상 구조물 코어(706)를 캡핑할 수 있는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 층일 수 있다. 층상 구조물 코어(706)는 예를 들어 대략 3 밀리미터 두께일 수 있는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트와 같은 열가소성 중합체 수지를 포함할 수 있다. 도 7b로 진행하여 살펴보면, 캐소드 포켓(708)을 위한, 공동과 같은, 저장 수단이 레이저 커팅 처리에 의해 층상 구조물 내에 커팅될 수 있다. 도 7c에서, 애노드 연결 포일(710)이 얻어질 수 있고, 보호 마스킹 층(712)이 일면에 적용될 수 있다. 이어서, 도 7d에서, 애노드 연결 포일(710)이 응집성 금속, 예를 들어 아연의 층(714)으로 전기도금될 수 있다. 도 7e로 진행하여 살펴보면, 도 7b의 구조물을 도 7d의 전기도금된 층(714)에 접착시킴으로써 도 7b 및 도 7d의 층상 구조물이 조합되어 도 7e에 도시된 바와 같은 새로운 층상 구조물을 형성할 수 있다. 도 7d의 전기도금된 층(714) 상에 접착하기 위해 도 7b의 접착제 층(704a)을 노출시키기 위해서 도 7b의 이형 층(702a)이 제거될 수 있다. 이어서 도 7f로 진행하여 살펴보면, 애노드 보호 마스킹 층(712)이 애노드 연결 포일(710)의 하부로부터 제거될 수 있다.
도 8a 내지 도 8h는 예를 들어 도 6a 내지 도 6f와 도 7a 내지 도 7f에 예시된 것과 유사한, 본 명세서에서 때때로 층상 조립체 또는 라미네이트 조립체로 지칭되는 생체적합성 층상 구조물로의 동력공급 요소의 예시적인 구현을 예시한다. 도 8a로 진행하여 살펴보면, 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물(820)이 라미네이트 조립체의 표면 상에 침착될 수 있다. 일부 예에서, 도시된 바와 같이, 하이드로겔 전구체 혼합물(820)은 이형 층(802) 위에 적용될 수 있다. 이어서, 도 8b에서, 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물(820)이 캐소드 포켓 내로 스퀴징되면서(850) 이형 층(802)으로부터 제거될 수 있다. 용어 "스퀴징된다"는 일반적으로 표면을 가로질러 문질러서 유체 재료를 표면 위에서 그리고 공동이 존재할 때 공동 내로 이동시키기 위한 평탄화(planarizing) 또는 스크레이핑(scraping) 공구의 사용을 지칭할 수 있다. 스퀴징 공정은 이동될 재료와 화학적으로 양립할 수 있는 바와 같은 다수의 재료로 제조될 수 있는, 전문 용어로 "스퀴지" 타입 장치 또는 대안적으로 평탄화 장치, 예컨대 나이프 에지(knife edge), 레이저 에지(razor edge) 등과 유사한 장비에 의해 수행될 수 있다.
도 8b에 도시된 처리는 캐소드 포켓의 코팅과 생성된 특징부의 두께의 증가를 보장하기 위해 수회 수행될 수 있다. 이어서, 도 8c에서, 전형적으로 다양한 타입의 용매 또는 희석제일 수 있는 재료를 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물로부터 증발시키기 위해 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물이 건조되도록 허용될 수 있으며, 이어서, 분배되고 적용된 재료가 경화될 수 있다. 일부 예에서 도 8b 및 도 8c에 도시된 공정 둘 모두를 조합하여 반복하는 것이 가능할 수 있다. 일부 예에서, 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물은 열에 대한 노출에 의해 경화될 수 있는 한편, 다른 예에서, 경화는 광자 에너지에 대한 노출에 의해 수행될 수 있다. 또 다른 예에서, 경화는 광자 에너지 및 열에 대한 노출 둘 모두를 수반할 수 있다. 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물을 경화시키기 위한 많은 방식이 있을 수 있다.
경화의 결과는 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 재료를 공동의 벽과, 본 예에서 애노드 특징부일 수 있는 애노드 또는 캐소드 특징부에 근접한 표면 영역에 형성하는 것일 수 있다. 공동의 측벽에 대한 재료의 접착은 세퍼레이터의 분리 기능에 유용할 수 있다. 경화의 결과는 간단히 전지의 세퍼레이터로 간주될 수 있는 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822)을 형성하는 것일 수 있다. 도 8d로 진행하여 살펴보면, 캐소드 슬러리(830)가 층상 구조물 이형 층(802)의 표면 상에 침착될 수 있다. 이어서, 도 8e에서, 캐소드 슬러리(830)가 캐소드 포켓 내로 그리고 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822) 상으로 스퀴징될 수 있다. 캐소드 슬러리는 공동 내에서 그의 원하는 위치로 이동되면서 동시에 층상 구조물 이형 층(802)으로부터 상당히 제거될 수 있다. 도 8e의 공정은 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822) 위에 캐소드 슬러리(830)의 코팅을 보장하기 위해 수회 수행될 수 있다. 이어서, 도 8f에서, 캐소드 슬러리가 건조되도록 허용되어, 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822) 위에 격리된 캐소드 필(fill)(832)을 형성하여서, 캐소드 포켓의 나머지를 충전시킬 수 있다.
도 8g로 진행하여 살펴보면, 전해질 제형(840)이 격리된 캐소드 필(832) 상에 첨가될 수 있고, 격리된 캐소드 필(832)과 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822)을 수화시키도록 허용될 수 있다. 이어서, 도 8h에서, 캐소드 연결 포일(816)이 나머지 층상 구조물 이형 층(802)을 제거하고 연결 포일(816)을 적소에 가압시킴으로써 나머지 층상 구조물 접착제 층(804)에 접착될 수 있다. 생성된 배치는 수화된 캐소드 필(842)을 덮고 캐소드 필(842)에 대한 전기적 접촉을 캐소드 전류 콜렉터와 연결 수단으로서 확립하는 결과를 가져올 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 도 7d로부터의 생성된 라미네이트 조립체의 대안적인 예를 예시한다. 도 9a에서, 애노드 연결 포일(710)이 얻어질 수 있고, 보호 마스킹 층(712)이 일면에 적용될 수 있다. 애노드 연결 포일(710)은 이전 도면에 묘사된 바와 유사한 방식으로 응집성 금속, 예를 들어 아연의 층(714)으로 도금될 수 있다. 도 9b로 진행하여 살펴보면, 하이드로겔 세퍼레이터(910)가 도 8e에 예시된 스퀴지 방법의 사용 없이 적용될 수 있다. 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물은 다양한 방식으로 적용될 수 있으며, 예를 들어, 혼합물의 예비성형된 필름이 물리적 접착에 의해 접착될 수 있고; 대안적으로 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물의 희석된 혼합물이 분배된 다음에 스핀 코팅 처리에 의해 원하는 두께로 조절될 수 있다. 대안적으로, 재료는 스프레이 코팅, 또는 임의의 다른 처리 등가물에 의해 적용될 수 있다. 이어서, 도 9c에, 세퍼레이터 영역 주위의 격납부로서 기능할 수 있는 하이드로겔 세퍼레이터의 세그먼트를 생성하기 위한 처리가 도시된다. 이러한 처리는 형성된 배터리 요소의 내부 구조물 밖으로의 전해질과 같은 재료의 유동 또는 확산을 제한하는 영역을 생성할 수 있다. 따라서, 다양한 타입의 그러한 차단 특징부(920)가 형성될 수 있다. 일부 예에서, 이러한 차단 특징부는 일부 예에서 차단 특징부(920)의 원하는 영역에서 광자 에너지에 대한 증가된 노출에 의해 형성될 수 있는 바와 같은 세퍼레이터 층의 고도로 가교결합된 영역에 대응할 수 있다. 다른 예에서, 하이드로겔 세퍼레이터 재료가 경화시 차단 특징부(920)가 되는 영역 구분된 부분을 생성하도록 경화되기 전에 그에 재료가 추가될 수 있다. 또 다른 예에서, 하이드로겔 세퍼레이터 재료의 영역이 예를 들어 영역 크기를 한정하기 위한 마스킹에 의한 층의 화학 에칭을 비롯한 다양한 기술에 의해 경화 전이나 후에 제거될 수 있다. 제거된 재료의 영역은 단독으로 차단 특징부를 생성할 수 있거나, 대안적으로 실질적으로 다시 공극 내에 추가되어 차단 특징부를 생성할 수 있다. 불투과성 세그먼트의 처리는 공극을 생성하기 위해, 이미지 아웃 처리(image out processing), 증가된 가교결합, 헤비 포토도우징(heavy photodosing), 백-필링(back-filling), 또는 하이드로겔 접착의 생략을 포함하는 여러 가지 방법을 통해 이루어질 수 있다. 일부 예에서, 도 9c에서의 처리의 결과로서 도시된 타입의 라미네이트 구조물 또는 조립체가 차단 특징부(920) 없이 형성될 수 있다.
중합된 배터리 요소 세퍼레이터
일부 배터리 설계에서, 비제한적인 예로서 비용, 재료의 입수가능성, 재료의 질, 또는 일부 재료 옵션에 대한 처리의 복잡성과 같은 다양한 이유로 인해 별개의 세퍼레이터(이전 섹션에 기술된 바와 같은)의 사용이 배제될 수 있다. 그러한 경우에, 예를 들어 도 8a 내지 도 8h의 공정에 예시된 주조 또는 폼-인-플레이스(form-in-place) 세퍼레이터가 바람직한 이득을 제공할 수 있다. 전분(starch) 또는 페이스트형 세퍼레이터가 AA 및 다른 포맷 르클랑셰 또는 아연 탄소 배터리에 성공적으로 상업적으로 사용되었지만, 그러한 세퍼레이터는 여러 가지 점에서 층상 마이크로배터리의 소정 예에 사용하기에 부적합할 수 있다. 본 발명의 배터리에 사용되는 임의의 세퍼레이터의 기하학적 형상의 균일성과 일관성에 특별한 주의를 기울일 필요가 있을 수 있다. 세퍼레이터 체적에 대한 정밀한 제어가 알려진 캐소드 체적의 정밀한 후속 통합과 일관된 방전 용량 및 전지 성능의 후속 실현을 용이하게 하는 데 필요할 수 있다.
균일한, 기계적으로 강건한 폼-인-플레이스 세퍼레이터를 달성하기 위한 방법은 UV-경화성 하이드로겔 제형을 사용하는 것일 수 있다. 많은 투수성 하이드로겔 제형이 다양한 산업, 예를 들어 콘택트 렌즈 산업에서 알려져 있을 수 있다. 콘택트 렌즈 산업에서 흔한 하이드로겔의 일례는 폴리(하이드록시에틸메타크릴레이트) 가교결합된 겔, 또는 간단히 pHEMA일 수 있다. 본 발명의 많은 응용에 대해, pHEMA는 르클랑셰 및 아연 탄소 배터리에 사용하기 위한 많은 흥미 있는 특성을 보유할 수 있다. pHEMA는 전형적으로 수화된 상태에서 대략 30 내지 40%의 함수량을 유지시키면서 약 100 psi 이상의 탄성 계수를 유지시킬 수 있다. 또한, 가교결합된 하이드로겔의 계수 및 함수량 특성은 추가의 친수성 단량체(예컨대, 메타크릴산) 또는 중합체(예컨대, 폴리비닐피롤리돈) 성분을 혼입함으로써 당업자에 의해 조절될 수 있다. 이러한 방식으로, 하이드로겔의 함수량, 또는 더욱 구체적으로 이온 투과율이 제형에 의해 조절될 수 있다.
일부 예에서 특히 유리하게는, 주조가능 및 중합성 하이드로겔 제형이 처리를 용이하게 하기 위해 하나 이상의 희석제를 함유할 수 있다. 희석제는 주조가능 혼합물이 공동 내로 스퀴징된 다음에 휘발성 용매 성분을 제거하기 위해 충분한 건조 시간을 허용할 수 있도록 휘발성으로 선택될 수 있다. 건조 후에, 벌크 광중합이 CGI 819와 같은 선택된 광개시제에 대해 420 nm의 청색 UV 광과 같은 적절한 파장의 화학 방사선에 노출됨으로써 개시될 수 있다. 휘발성 희석제는 공동 내에 중합성 재료의 균일한 층을 주조하는 것을 용이하게 하기 위해 바람직한 적용 점도를 제공하는 데 도움을 줄 수 있다. 휘발성 희석제는 또한 특히 강한 극성 단량체가 제형에 혼입되는 경우에 이로운 표면 장력 저하 효과를 제공할 수 있다. 공동 내에 중합성 재료의 균일한 층을 주조하는 것을 달성하는 데 중요할 수 있는 다른 양태는 적용 점도일 수 있다. 흔한 작은 몰 질량 반응성 단량체는 전형적으로 매우 높은 점도를 갖지 않으며, 이는 전형적으로 단지 수 센티푸아즈일 수 있다. 주조가능 및 중합성 세퍼레이터 재료의 이로운 점도 제어를 제공하기 위해, 중합성 재료와 상용성인 것으로 알려진 높은 몰 질량 중합체 성분이 제형 내로의 혼입을 위해 선택될 수 있다. 예시적인 제형 내로의 혼입에 적합할 수 있는 높은 몰 질량 중합체의 예는 폴리비닐피롤리돈과 폴리에틸렌 옥사이드를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 주조가능, 중합성 세퍼레이터는 유리하게는 전술된 바와 같이 설계된 공동 내에 적용될 수 있다. 대안적인 예에서, 중합시 공동이 없을 수 있다. 대신에, 주조가능, 중합성 세퍼레이터 제형이 전극-함유 기재, 예를 들어 패턴화된 아연 도금된 황동 상에 코팅된 다음에 후속하여 포토마스크를 사용하여 화학 방사선에 노출되어 목표 영역의 세퍼레이터 재료를 선택적으로 중합시킬 수 있다. 이어서, 미반응된 세퍼레이터 재료가 적절한 린싱 용매에 노출됨으로써 제거될 수 있다. 이들 예에서, 세퍼레이터 재료는 포토-패턴화가능 세퍼레이터로 지칭될 수 있다.
다중 성분 세퍼레이터 제형
본 발명의 예들에 따라 유용한 세퍼레이터는 그의 기능에 중요할 수 있는 다수의 특성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터는 바람직하게는 세퍼레이터의 양면 상의 층들이 서로 물리적으로 접촉하지 않도록 물리적 장벽을 생성하는 방식으로 형성될 수 있다. 따라서, 층은 균일한 두께의 중요한 특성을 가질 수 있는데, 왜냐하면 얇은 층이 여러 이유로 바람직할 수 있지만, 공극 또는 갭이 없는 층이 필수적일 수 있기 때문이다. 또한, 얇은 층은 바람직하게는 이온의 자유 유동을 허용하기 위해 높은 투과율을 가질 수 있다. 또한, 세퍼레이터는 세퍼레이터의 기계적 특성을 최적화하기 위해 최적의 물 활용을 필요로 한다. 따라서, 제형은 가교결합 성분, 친수성 중합체 성분, 및 용매 성분을 함유할 수 있다.
가교결합제는 둘 이상의 중합성 이중 결합을 갖는 단량체일 수 있다. 적합한 가교결합제는 둘 이상의 중합성 작용기를 갖는 화합물일 수 있다. 적합한 친수성 가교결합제의 예는 둘 이상의 중합성 작용기뿐만 아니라 폴리에테르, 아미드 또는 하이드록실 기와 같은 친수성 작용기를 갖는 화합물을 또한 포함할 수 있다. 구체적인 예는 TEGDMA(테트라에틸렌글리콜 다이메타크릴레이트), TrEGDMA(트라이에틸렌글리콜 다이메타크릴레이트), 에틸렌글리콜 다이메타크릴레이트 (EGDMA), 에틸렌다이아민 다이메틸아크릴아미드, 글리세롤 다이메타크릴레이트 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일부 예에서 사용될 수 있는 가교결합제의 양은, 예를 들어, 반응 혼합물 중 반응성 성분들 100 그램당 약 0.000415 내지 약 0.0156 몰의 범위일 수 있다. 사용되는 친수성 가교결합제의 양은 일반적으로 약 0 내지 약 2 중량%, 및 예를 들어, 약 0.5 내지 약 2 중량%일 수 있다. 반응성 혼합물의 점도를 증가시키고/시키거나 저속-반응 친수성 단량체와의 수소 결합의 정도를 증가시킬 수 있는 친수성 중합체 성분, 예컨대 고분자량 친수성 중합체가 바람직할 수 있다.
고분자량 친수성 중합체는 개선된 습윤성을 제공하며, 일부 예에서, 본 발명의 세퍼레이터에 대한 습윤성을 개선할 수 있다. 일부 비제한적인 예에서, 고분자량 친수성 중합체는, 수성 환경에서 물에 수소 결합하며 따라서 효과적으로 더 친수성으로 되는 수소 결합 수용체(receiver)인 것으로 여겨질 수 있다. 물의 부재는 반응 혼합물 중의 친수성 중합체의 포함을 촉진할 수 있다. 구체적으로 지명된 고분자량 친수성 중합체 이외에, 상기 중합체가 예시적인 실리콘 하이드로겔 제형에 첨가되는 경우에, 친수성 중합체가 (a) 반응 혼합물로부터 실질적으로 상분리되지 않고 (b) 생성된 경화된 중합체에 습윤성을 부여한다면, 임의의 고분자량 중합체가 본 발명에 유용할 것으로 예상될 수 있다.
일부 예에서, 고분자량 친수성 중합체는 처리 온도에서 희석제에 용해성일 수 있다. 물 또는 수용성 희석제, 예컨대 아이소프로필 알코올 (IPA)을 사용하는 제조 공정이, 그의 간단성 및 감소된 비용으로 인해 바람직한 예일 수 있다. 이들 예에서, 처리 온도에서 수용성인 고분자량 친수성 중합체가 또한 바람직한 예일 수 있다.
고분자량 친수성 중합체의 예는 폴리아미드, 폴리락톤, 폴리이미드, 폴리락탐 및 작용화된 폴리아미드, 폴리락톤, 폴리이미드, 폴리락탐, 예컨대 PVP 및 이들의 공중합체, 또는 대안적으로, DMA를 더 적은 몰 양의 하이드록실-작용성 단량체, 예컨대 HEMA와 공중합하고, 이어서, 생성된 공중합체의 하이드록실 기를 라디칼 중합성 기를 함유하는 재료와 반응시킴으로써 작용화된 DMA를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다. 고분자량 친수성 중합체는 폴리-N-비닐 피롤리돈, 폴리-N-비닐-2-피페리돈, 폴리-N-비닐-2-카프로락탐, 폴리-N-비닐-3-메틸-2-카프로락탐, 폴리-N-비닐-3-메틸-2-피페리돈, 폴리-N-비닐-4-메틸-2-피페리돈, 폴리-N-비닐-4-메틸-2-카프로락탐, 폴리-N-비닐-3-에틸-2-피롤리돈, 및 폴리-N-비닐-4,5-다이메틸-2-피롤리돈, 폴리비닐이미다졸, 폴리-N-N-다이메틸아크릴아미드, 폴리비닐 알코올, 폴리아크릴산, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리 2 에틸 옥사졸린, 헤파린 다당류, 다당류, 이들의 (블록 또는 랜덤, 분지형, 다중사슬, 빗형 또는 별형을 포함하는) 혼합물 및 공중합체를 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않으며, 여기서 폴리-N-비닐피롤리돈 (PVP)이 바람직한 예일 수 있는데, 이 경우 PVP는 하이드로겔 조성물에 첨가되어 낮은 정도의 표면 마찰 및 낮은 탈수 속도를 나타내는 상호침투 네트워크를 형성하였다.
본 기술 분야에 일반적으로 공지되어 있을 수 있는 추가적인 성분 또는 첨가제가 또한 포함될 수 있다. 첨가제는 자외선 흡수 화합물, 광개시제, 예컨대 CGI 819, 반응성 틴트(reactive tint), 항미생물 화합물, 안료, 광변색성 물질(photochromic), 이형제, 이들의 조합 등을 포함할 수 있지만 이로 제한되지 않는다.
이러한 유형의 세퍼레이터와 관련된 방법은, CGI 819를 얻는 단계; 및 이어서 PVP, HEMA, EGDMA 및 IPA와 혼합하는 단계; 및 이어서, 생성된 혼합물을 열원 또는 광자들에 대한 노출로 경화시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 일부 예에서, 광자들에 대한 노출은 광자 에너지가 전자기 스펙트럼의 자외선 부분에서 발생하는 파장과 일치하는 경우에 발생할 수 있다. 중합 반응에서 일반적으로 수행되는, 중합을 개시하는 다른 방법이 본 발명의 범주 내에 속한다.
전류 콜렉터와 전극
아연 탄소 및 르클랑셰(Leclanche) 전지의 일부 예에서, 캐소드 전류 콜렉터는 소결된 탄소봉일 수 있다. 이러한 타입의 재료는 본 발명의 얇은 전기화학 전지에 대해 기술적 장애에 직면할 수 있다. 일부 예에서, 인쇄된 탄소 잉크가 캐소드 전류 콜렉터를 위한 소결된 탄소봉을 대체하도록 얇은 전기화학 전지에 사용될 수 있고, 이들 예에서, 생성된 장치는 생성된 전기화학 전지에 대한 상당한 손상 없이 형성될 수 있다. 전형적으로, 상기 탄소 잉크는 중합체 필름, 또는 일부 경우에 금속 포일을 포함할 수 있는 패키징 재료에 직접 적용될 수 있다. 패키징 필름이 금속 포일일 수 있는 예에서, 탄소 잉크는 밑에 있는 금속 포일을 전해질에 의한 화학적 열화 및/또는 부식으로부터 보호할 필요가 있을 수 있다. 또한, 이들 예에서, 탄소 잉크 전류 콜렉터는 전기화학 전지의 내부로부터 전기화학 전지의 외부로의 전기 전도성을 제공할 필요가 있을 수 있으며, 이는 탄소 잉크 주위의 또는 그것을 통한 밀봉을 암시한다. 탄소 잉크의 다공성 특성으로 인해, 이는 상당한 문제 없이 쉽게 달성되지 않을 수 있다. 탄소 잉크는 또한 유한하고 비교적 작은 두께, 예를 들어 10 내지 20 마이크로미터를 갖는 층에 적용될 수 있다. 총 내부 패키지 두께가 단지 약 100 내지 150 마이크로미터일 수 있는 얇은 전기화학 전지 설계에서, 탄소 잉크 층의 두께는 전기화학 전지의 총 내부 체적의 상당한 분율을 차지하여서, 전지의 전기적 성능에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 또한, 전체 배터리와 특히 전류 콜렉터의 얇은 특성은 전류 콜렉터에 대한 작은 단면적을 암시할 수 있다. 트레이스의 저항이 트레이스 길이에 따라 증가하고 단면적에 따라 감소하기 때문에, 전류 콜렉터 두께와 저항 사이에 직접적인 상충이 있을 수 있다. 탄소 잉크의 벌크 저항률(bulk resistivity)은 얇은 배터리의 저항 요건을 충족시키기에 불충분할 수 있다. 은 또는 다른 전도성 금속으로 충전된 잉크가 또한 저항 및/또는 두께를 감소시키는 것으로 간주될 수 있지만, 그것들은 새로운 전해질과의 부적합성과 같은 새로운 문제를 도입할 수 있다. 이들 요인을 고려하면, 일부 예에서, 얇은 금속 포일을 전류 콜렉터로서 이용함으로써 본 발명의 효율적이고 고성능인 얇은 전기화학 전지를 실현하는 것, 또는 얇은 금속 필름을 전류 콜렉터로서의 역할을 하도록 밑에 있는 중합체 패키징 층에 적용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 금속 포일은 상당히 더 낮은 저항률을 가져서, 그것들이 인쇄된 탄소 잉크보다 훨씬 작은 두께로 전기 저항 요건을 충족시키도록 허용할 수 있다.
일부 예에서, 상부 및/또는 하부 패키징 층들 중 하나 이상이 스퍼터링된 전류 콜렉터 금속 또는 금속 스택을 위한 기재로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 쓰리엠(등록상표) 스카치팩 1109 배킹이 캐소드를 위한 전류 콜렉터로서 유용한 하나 이상의 금속 층의 물리 증착(physical vapor deposition, PVD)을 사용하여 금속화될 수 있다. 캐소드 전류 콜렉터로서 유용한 예시적인 금속 스택은 Ti-W(티타늄-텅스텐) 접착 층과 Ti(티타늄) 전도체 층일 수 있다. 애노드 전류 콜렉터로서 유용한 예시적인 금속 스택은 Ti-W 접착 층, Au(금) 전도체 층, 및 In(인듐) 침착 층일 수 있다. PVD 층들의 두께는 합하여 500 nm 미만일 수 있다. 다수의 금속 층이 사용되면, 전기화학적 및 장벽 특성이 배터리와 상용성일 필요가 있을 수 있다. 예를 들어, 전도체의 두꺼운 층을 성장시키기 위해 구리가 시드 층(seed layer)의 상부 상에 전기도금될 수 있다. 추가의 층이 구리 상에 도금될 수 있다. 그러나, 구리는 특히 아연의 존재 하에서 소정 전해질과 전기화학적으로 비상용성일 수 있다. 따라서, 구리가 배터리 내에 층으로서 사용되면, 그것은 배터리 전해질로부터 충분히 격리될 필요가 있을 수 있다. 대안적으로, 구리가 제외되거나 다른 금속이 대체될 수 있다.
일부 다른 예에서, 상부 및/또는 하부 패키징 포일이 또한 전류 콜렉터로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 25 마이크로미터 황동 포일이 아연 애노드에 대한 애노드 전류 콜렉터로서 유용할 수 있다. 황동 포일은 선택적으로 아연으로 전기도금하기 전에 인듐으로 전기도금될 수 있다. 하나의 예에서, 캐소드 전류 콜렉터 패키징 포일은 티타늄 포일, 하스텔로이(Hastelloy) C-276 포일, 크롬 포일, 및/또는 탄탈륨 포일을 포함할 수 있다. 소정 설계에서, 하나 이상의 패키징 포일은 최종 전지 패키징에 바람직한 형태, 표면 조도, 및/또는 기하학적 형상을 제공하기 위해 파인 블랭킹(fine blanking), 엠보싱, 에칭, 텍스처화, 레이저 기계가공, 또는 달리 가공될 수 있다.
애노드와 애노드 부식 억제제
본 발명의 층상 배터리를 위한 애노드는 예를 들어 아연을 포함할 수 있다. 전통적인 아연 탄소 배터리에서, 아연 애노드는 전기화학 전지의 내용물이 내부에 수용될 수 있는 캔(can)의 물리적 형태를 취할 수 있다. 본 발명의 배터리의 경우, 아연 캔이 예일 수 있지만, 초소형 배터리 설계를 실현하기에 바람직할 수 있는 아연의 다른 물리적 형태가 있을 수 있다.
전기도금된 아연은 다수의 산업에서, 예를 들어 금속 부품의 보호 또는 심미적 코팅을 위한 사용의 예를 가질 수 있다. 일부 예에서, 전기도금된 아연은 본 발명의 배터리에 유용한 얇은 컨포멀(conformal) 애노드를 형성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 전기도금된 아연은 설계 의도에 따라 겉보기에 무한한 구성으로 패턴화될 수 있다. 전기도금된 아연을 패턴화하기 위한 용이한 수단은 포토마스크 또는 물리적 마스크의 사용에 의한 처리일 수 있다. 도금 마스크가 다양한 접근법에 의해 제조될 수 있다. 하나의 접근법은 포토마스크의 사용에 의하는 것일 수 있다. 이들 예에서, 포토레지스트가 전도성 기재에 적용될 수 있으며, 이때 기재 상에 아연이 후속하여 도금될 수 있다. 이어서, 원하는 도금 패턴이 포토마스크에 의해 포토레지스트에 투사되어서, 포토레지스트의 선택된 영역의 경화를 유발할 수 있다. 이어서, 미경화된 포토레지스트가 적절한 용매 및 세정 기술을 이용하여 제거될 수 있다. 결과는 전기도금된 아연 처리를 받을 수 있는 전도성 재료의 패턴화된 영역일 수 있다. 이러한 방법이 도금될 아연의 형상 또는 설계에 이득을 제공할 수 있지만, 이러한 접근법은 전체 전지 패키지 구성에 대해 제약된 특성을 가질 수 있는 입수가능한 포토패턴화가능 재료의 사용을 필요로 할 수 있다. 결과적으로, 아연을 패턴화하기 위한 새롭고 신규한 방법이 본 발명의 얇은 마이크로배터리의 일부 설계를 실현하는 데 요구될 수 있다.
아연 애노드를 패턴화하는 대안적인 수단은 물리적 마스크 적용에 의하는 것일 수 있다. 물리적 마스크는 바람직한 장벽 및/또는 패키징 특성을 갖는 필름 내에 바람직한 개구를 커팅함으로써 제조될 수 있다. 또한, 필름은 일면 또는 양면에 적용된 감압 접착제를 가질 수 있다. 마지막으로, 필름은 하나 또는 둘 모두의 접착제에 적용된 보호 이형 라이너를 가질 수 있다. 이형 라이너는 개구 커팅 중에 접착제를 보호하는 것과, 전기화학 전지를 조립하는 특정 처리 단계, 특히 하기의 설명에 기술되는 캐소드 충전 단계 중에 접착제를 보호하는 것의 이중 목적으로 사용될 수 있다. 일부 예에서, 아연 마스크는 대략 100 마이크로미터 두께의 PET 필름을 포함할 수 있으며, 이 PET 필름에 감압 접착제가 대략 10 내지 20 마이크로미터의 층 두께로 양면에 적용될 수 있다. 둘 모두의 PSA 층이 저 표면 에너지 표면 처리를 가질 수 있는 PET 이형 필름에 의해 덮일 수 있고, 50 마이크로미터의 대략적인 두께를 가질 수 있다. 이들 예에서, 다층 아연 마스크는 PSA와 PET 필름을 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 PET 필름과 PET/PSA 아연 마스크 구조물은 바람직하게는 추후의 도금을 용이하게 하기 위해 마스크 내에 초정밀 개구를 생성하도록 옥스퍼드 레이저스(Oxford Lasers) E-시리즈 레이저 미세기계가공 워크스테이션과 같은 정밀 나노초 레이저 미세기계가공 장비를 이용하여 처리될 수 있다. 본질적으로, 일단 아연 마스크가 제조되었으면, 이형 라이너의 일면이 제거될 수 있고, 개구를 갖춘 마스크가 애노드 전류 콜렉터 및/또는 애노드측 패키징 필름/포일에 라미네이팅될 수 있다. 이러한 방식으로, PSA는 개구의 내부 에지에서 시일을 생성하여, 전기도금 중에 아연의 깨끗하고 정밀한 마스킹을 용이하게 한다.
아연 마스크가 배치될 수 있고, 이어서 하나 이상의 금속 재료의 전기도금이 수행될 수 있다. 일부 예에서, 아연은 황동과 같은 전기화학적으로 상용성인 애노드 전류 콜렉터 포일 상에 직접 전기도금될 수 있다. 애노드측 패키징이 시드 금속배선(seed metallization)이 적용되었던 중합체 필름 또는 다층 중합체 필름을 포함하는 대안적인 설계 예에서, 아연, 및/또는 아연을 침착시키기 위해 사용되는 도금 용액이 밑에 있는 시드 금속배선과 화학적으로 상용성이 아닐 수 있다. 상용성의 결여의 징후는 필름 균열, 부식, 및/또는 전지 전해질과의 접촉시 격화된 H2 방출을 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 추가의 금속이 시스템 내의 더욱 우수한 전체 화학적 상용성에 영향을 주기 위해 시드 금속에 적용될 수 있다. 전기화학 전지 구조물에 특히 유용할 수 있는 하나의 금속은 인듐일 수 있다. 인듐은 배터리 등급 아연에 합금제로서 널리 사용될 수 있으며, 이때 그것의 주된 기능은 전해질의 존재 하에서 아연에 방식 특성을 제공하는 것이다. 일부 예에서, 인듐은 Ti-W 및 Au와 같은 다양한 시드 금속배선 상에 성공적으로 침착될 수 있다. 상기 시드 금속배선 층 상의 인듐의 1 내지 3 마이크로미터의 생성된 필름은 저 응력이고 접착성일 수 있다. 이러한 방식으로, 애노드측 패키징 필름과 인듐 상부 층을 갖는 부착된 전류 콜렉터가 순응성이고 내구성이 있을 수 있다. 일부 예에서, 아연을 인듐-처리된 표면 상에 침착시키는 것이 가능할 수 있으며, 생성된 침착물은 매우 불균일하고 결절성(nodular)일 수 있다. 이러한 효과는 보다 낮은 전류 밀도 세팅, 예를 들어 20 ASF에서 발생할 수 있다. 현미경 하에서 관찰되는 바와 같이, 아연의 결절이 밑에 있는 매끄러운 인듐 침착물 상에 형성되는 것으로 관찰될 수 있다. 소정의 전기화학 전지 설계에서, 아연 애노드 층에 대한 수직 공간 허용량이 최대 약 5 내지 10 마이크로미터까지일 수 있지만, 일부 예에서, 보다 낮은 전류 밀도가 아연 도금에 사용될 수 있고, 생성된 결절성 성장은 최대 애노드 수직 허용량보다 크게 성장할 수 있다. 결절성 아연 성장이 인듐의 높은 과전위와 인듐의 산화물 층의 존재의 조합에 기인하는 것일지도 모른다.
일부 예에서, 보다 높은 전류 밀도 DC 도금이 인듐 표면 상에서의 아연의 비교적 큰 결절성 성장 패턴을 극복할 수 있다. 예를 들어, 100 ASF 도금 조건이 결절성 아연을 생성할 수 있지만, 아연 결절의 크기는 20 ASF 도금 조건에 비해 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 결절의 개수가 100 ASF 도금 조건 하에서 상당히 더 많을 수 있다. 생성된 아연 필름은 최종적으로 결절성 성장의 단지 약간의 잔류 특징을 갖고서 거의 균일한 층으로 합쳐지는 동시에 약 5 내지 10 마이크로미터의 수직 공간 허용량을 충족시킬 수 있다.
전기화학 전지에서의 인듐의 추가의 이득은 아연을 함유하는 수성 전기화학 전지에서 일어나는 느린 공정일 수 있는 H2 형성의 감소일 수 있다. 인듐은 유익하게는 애노드 전류 콜렉터, 애노드 그것 자체 중 하나 이상에 공-도금된(co-plated) 합금 성분으로서, 또는 전기도금된 아연 상의 표면 코팅으로서 적용될 수 있다. 후자의 경우에 대해, 인듐 표면 코팅은 바람직하게는 3염화인듐 또는 아세트산인듐과 같은 전해질 첨가제에 의해 현장에서 적용될 수 있다. 그러한 첨가제가 적은 농도로 전해질에 첨가될 수 있을 때, 인듐은 자연적으로 노출된 아연 표면뿐만 아니라 노출된 애노드 전류 콜렉터의 부분 상에 도금될 수 있다.
상업용 일차 배터리에 흔히 사용되는 아연 및 유사한 애노드는 전형적으로 시트, 로드(rod), 및 페이스트 형태로 발견된다. 소형 생체적합성 배터리의 애노드는 유사한 형태, 예컨대 얇은 포일일 수 있거나, 이전에 언급된 바와 같이 도금될 수 있다. 이러한 애노드의 특성은 예를 들어 기계가공과 도금 공정에 기인하는 오염물 또는 표면 마무리에 있어서의 차이로 인해 기존 배터리의 것과는 상당히 상이할 수 있다. 따라서, 전극과 전해질은 용량, 임피던스, 및 보존 수명 요건을 충족시키기 위해 특별한 엔지니어링을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 특별한 도금 공정 파라미터, 도금 조 조성, 표면 처리, 및 전해질 조성이 전극 성능을 최적화하는 데 필요할 수 있다.
캐소드 혼합물
본 발명의 개념과 일치할 수 있는 많은 캐소드 화학물질 혼합물이 있을 수 있다. 일부 예에서, 배터리의 캐소드를 형성하는 데 사용되는 화학물질 제형에 대한 용어일 수 있는 캐소드 혼합물은 페이스트, 겔, 현탁액, 또는 슬러리로서 적용될 수 있고, 이산화망간과 같은 전이 금속 산화물, 예를 들어 카본 블랙 또는 흑연과 같은 전도성 분말의 형태일 수 있는 전도성 첨가제의 일부 형태, 및 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 어떤 다른 결합제 첨가제과 같은 수용성 중합체를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 다른 성분이 결합제, 전해질 염, 부식 억제제, 물 또는 다른 용매, 계면활성제, 리올로지 조절제(rheology modifier), 및 전도성 중합체와 같은 다른 전도성 첨가제 중 하나 이상으로서 포함될 수 있다. 일단 제형화되고 적절히 혼합되면, 캐소드 혼합물은 그것이 세퍼레이터 및/또는 캐소드 전류 콜렉터의 원하는 부분 상에 분배되거나, 유사한 방식으로 스크린 또는 스텐실을 통해 스퀴징되도록 허용하는 바람직한 리올로지를 가질 수 있다. 일부 예에서, 캐소드 혼합물은 추후의 전지 조립 단계에서 사용되기 전에 건조될 수 있는 반면, 다른 예에서, 캐소드는 전해질 성분들 중 일부 또는 전부를 함유할 수 있고, 단지 선택된 습기 함량으로 부분적으로 건조될 수 있다.
전이 금속 산화물은 예를 들어 이산화망간일 수 있다. 캐소드 혼합물에 사용될 수 있는 이산화망간은 예를 들어 이러한 타입의 이산화망간이 다른 형태, 예를 들어 천연 이산화망간(natural manganese dioxide, NMD) 또는 화학적 이산화망간(chemical manganese dioxide, CMD)에 비해 제공하는 이로운 추가의 특정 에너지로 인해 전해질 이산화망간(electrolytic manganese dioxide, EMD)일 수 있다. 또한, 본 발명의 배터리에 유용한 EMD는 침착가능하거나 인쇄가능한 캐소드 혼합물 페이스트/슬러리의 형성에 도움이 될 수 있는 입자 크기와 입자 크기 분포를 가질 필요가 있을 수 있다. 구체적으로, EMD는 배터리 내부 치수, 세퍼레이터 두께, 분배 팁 직경, 스텐실 개방부 크기, 또는 스크린 메시 크기와 같은 다른 특징에 비해 큰 것으로 간주될 수 있는 상당한 큰 미립자 성분을 제거하도록 처리될 수 있다. 입자 크기 최적화가 또한 배터리의 성능, 예를 들어 내부 임피던스 및 방전 용량을 개선하는 데 사용될 수 있다.
밀링은 파쇄, 분쇄, 커팅, 진동, 또는 다른 공정에 의해 하나의 평균 입자 크기로부터 보다 작은 평균 입자 크기로 고체 재료를 축소시키는 것이다. 밀링은 또한 유용한 재료가 매립될 수 있는 매트릭스 재료로부터 유용한 재료를 해방시키는 데, 그리고 광물을 선광하는 데 사용될 수 있다. 밀(mill)은 분쇄, 파쇄, 또는 커팅에 의해 고체 재료를 보다 작은 조각으로 부수는 장치이다. 밀링을 위한 몇몇 수단 및 그것으로 처리되는 많은 타입의 재료가 있을 수 있다. 그러한 밀링 수단은 다른 밀링 대안물 중에서도 볼 밀(ball mill), 비드 밀(bead mill), 막자사발(mortar)과 막자(pestle), 롤러 프레스(roller press), 및 제트 밀(jet mill)을 포함할 수 있다. 밀링의 하나의 예는 제트 밀링일 수 있다. 밀링 후에, 고체의 상태, 예를 들어 입자 크기, 입자 크기 배열 및 입자 형상이 변화된다. 골재 밀링 공정이 또한 골재로부터 오염물 또는 습기를 제거하거나 분리하여 수송 또는 구조적 충전 전에 "건식 충전물"을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 소정 장비가 다양한 기술을 조합하여, 그것의 크기가 최소 입자 크기 및 최대 입자 크기 둘 모두에 의해 경계지어진 입자들의 혼합물로 고체 재료를 분류할 수 있다. 그러한 공정은 "분급기" 또는 "분급"으로 지칭될 수 있다.
밀링은 캐소드 혼합물 성분의 균일한 입자 크기 분포를 위한 캐소드 혼합물 제조의 일 태양일 수 있다. 캐소드 혼합물 내의 균일한 입자 크기는 캐소드의 점도, 리올로지, 전기전도도, 및 다른 특성에 도움이 될 수 있다. 밀링은 캐소드 혼합물 성분의 응집, 또는 덩어리 뭉침을 제어함으로써 이들 특성에 도움이 될 수 있다. 응집체 - 캐소드 혼합물의 경우에 탄소 동소체 및 전이 금속 산화물일 수 있는 이질적 요소들의 클러스터링(clustering) - 는 도 11에 예시된 바와 같이 원하는 캐소드 공동 내에 공극을 남겨둠으로써 충전 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
또한, 여과는 응집된 또는 원치 않는 입자의 제거를 위한 다른 중요한 단계일 수 있다. 원치 않는 입자는 과대 크기의 입자, 오염물, 또는 제조 공정에서 명백하게 고려되지 않은 다른 입자를 포함할 수 있다. 여과는 여과지 여과, 진공 여과, 크로마토그래피, 미세여과, 및 다른 여과 수단과 같은 수단에 의해 성취될 수 있다.
일부 예에서, EMD는 최대 약 70 마이크로미터의 미립자를 함유할 수 있는 큰 입자 함량과 함께 7 마이크로미터의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 대안적인 예에서, EMD는 큰 미립자 함량을 소정 임계치 아래로, 예를 들어 25 마이크로미터 이하로 제한하기 위해 체질되거나, 추가로 밀링되거나, 달리 분리 또는 처리될 수 있다.
캐소드는 또한 이산화은 또는 옥시수산화 니켈을 포함할 수 있다. 그러한 재료는 이산화망간에 비해 증가된 용량 및 방전 동안의 부하 전압의 덜한 감소를 제공할 수 있으며, 이들 둘 모두는 배터리에서 바람직한 특성이다. 이들 캐소드에 기반하는 배터리는 산업과 문헌에 존재하는 현재 예를 가질 수 있다. 이산화은 캐소드를 이용하는 새로운 마이크로배터리는 생체적합성 전해질, 예를 들어 수산화칼륨 대신에 염화아연 및/또는 염화암모늄을 포함하는 것을 포함할 수 있다.
캐소드 혼합물의 일부 예는 중합체 결합제를 포함할 수 있다. 결합제는 캐소드 혼합물에서 다수의 기능을 제공할 수 있다. 결합제의 일차 기능은 EMD 입자와 탄소 입자 사이의 충분한 입자간 전기 네트워크를 생성하는 것일 수 있다. 결합제의 이차 기능은 캐소드 전류 콜렉터에 대한 기계적 접착 및 전기적 접촉을 용이하게 하는 것일 수 있다. 결합제의 제3 기능은 유리한 분배 및/또는 스텐실링(stenciling)/스크리닝(screening)을 위해 캐소드 혼합물의 리올로지 특성에 영향을 미치는 것일 수 있다. 또한, 결합제의 제4 기능은 캐소드 내에서의 전해질 활용 및 분포를 향상시키는 것일 수 있다.
결합제 중합체뿐만 아니라 사용될 양의 선택이 본 발명의 전기화학 전지에서 캐소드의 기능에 유익할 수 있다. 결합제 중합체가 사용되는 전해질에서 너무 가용성이면, 결합제의 일차 기능 - 전기적 연속성 - 이 전지 비-기능성이라고 말할 수 있을 정도로 현저하게 영향을 받을 수 있다. 반대로, 결합제 중합체가 사용되는 전해질에서 불용성이면, EMD의 부분이 전해질로부터 이온 격리되어, 감소된 용량, 보다 낮은 개회로 전압, 및/또는 증가된 내부 저항과 같은 감소된 전지 성능을 유발할 수 있다.
결합제는 소수성일 수 있고; 그것은 또한 친수성일 수 있다. 본 발명에 유용한 결합제 중합체의 예는 특히 PVP, 폴리아이소부틸렌(PIB), 크레이튼 폴리머스(Kraton Polymers)에 의해 제조된 것과 같은 스티렌 말단 블록을 포함하는 고무질 삼중블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 라텍스 블록 공중합체, 폴리아크릴산, 하이드록시에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 플루오로카본 고체를 포함한다.
용매가 캐소드 혼합물의 하나의 성분일 수 있다. 용매가 캐소드 혼합물의 습윤에 유용할 수 있으며, 이는 혼합물의 입자 분포에 도움이 될 수 있다. 용매의 일례는 톨루엔일 수 있다. 또한, 계면활성제가 캐소드 혼합물의 습윤, 및 이에 따라 분포에 유용할 수 있다. 계면활성제의 일례는 트리톤™ QS-44와 같은 세제일 수 있다. 트리톤™ QS-44는 캐소드 혼합물 내의 응집된 성분의 해리에 도움이 되어, 캐소드 혼합물 성분의 보다 균일한 분포를 허용할 수 있다.
전도성 탄소가 전형적으로 캐소드의 제조에 사용될 수 있다. 탄소는 많은 동소체, 또는 다양한 구조 변형체를 형성할 수 있다. 상이한 탄소 동소체는 상이한 물리적 특성을 가져서 전기전도도의 변화를 허용한다. 예를 들어, 카본 블랙의 "탄력성"은 전류 콜렉터에 대한 캐소드 혼합물의 접착을 도울 수 있다. 그러나, 비교적 낮은 양의 에너지를 필요로 하는 동력공급 요소에서, 이들 전기전도도의 변화는 다른 특성들 중에서도 밀도, 입자 크기, 열 전도도, 및 상대적 균일도와 같은 다른 유리한 특성들보다 덜 중요할 수 있다. 탄소 동소체의 예는 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 비정질 탄소(비공식적으로 카본 블랙으로 불림), 벅민스터플러린, 유리상 탄소(유리질 탄소로 또한 불림), 탄소 에어로겔, 및 전기를 전도할 수 있는 다른 가능한 형태의 탄소를 포함한다. 탄소 동소체의 일례는 흑연일 수 있다.
완성된 캐소드 혼합물 제형의 일례가 하기의 표에 주어질 수 있다:
Figure pat00001
여기서, PIB는 폴리아이소부틸렌이고, JMEMD는 제트 밀링된 이산화망간이고, KS6는 팀칼(Timcal)에 의해 제조된 흑연이고, PIB B10은 B10의 분자량 등급을 갖는 폴리아이소부틸렌이다.
일단 캐소드 혼합물이 제형화되고 처리되면, 혼합물은 하이드로겔 세퍼레이터 또는 캐소드 전류 콜렉터와 같은 표면 상에, 또는 층상 구조물 내의 공동과 같은 체적부 내에 분배, 적용, 및/또는 저장될 수 있다. 표면 상에의 충전은 체적부가 시간이 지남에 따라 충전되는 결과를 가져올 수 있다. 혼합물을 적용, 분배, 및/또는 저장하기 위해, 분배, 적용, 및/또는 저장 공정을 최적화하기 위해서 소정 리올로지가 요구될 수 있다. 예를 들어, 점성이 더 적은 리올로지는 공동의 더 나은 충전을 허용하면서 동시에 아마도 입자 분포를 희생시킬 수 있다. 점성이 더 많은 리올로지는 최적화된 입자 분포를 허용하면서 아마도 공동을 충전하는 능력을 감소시키고 아마도 전기전도도를 상실할 수 있다.
예를 들어, 도 10a 내지 도 10f는 공동 내로의 최적화된 및 비-최적화된 분배 또는 적용의 예를 예시한다. 도 10a는 적용, 분배, 및/또는 저장 후의, 캐소드 혼합물로 최적으로 충전된 공동의 예를 도시한다. 도 10b는 하부 좌측 쿼드런트(quadrant)(1002)에서 불충분한 충전을 갖는 공동의 예를 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과일 수 있다. 도 10c는 상부 우측 쿼드런트(1004)에서 불충분한 충전을 갖는 공동의 예를 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과일 수 있다. 도 10d 및 도 10e는 공동의 중간(1006) 또는 하부(1008)에서 불충분한 충전을 갖는 공동의 예를 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과에 의해 유발된 기포일 수 있다. 도 10f는 공동의 상부(1010) 쪽에 있는 불충분한 충전을 갖는 공동의 예를 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과일 수 있다. 도 10b 내지 도 10f에 예시된 예시적인 결함은 몇몇 배터리 문제, 예를 들어 감소된 용량, 증가된 내부 저항, 및 저하된 신뢰성을 야기할 수 있다.
또한, 도 11에서, 응집체(1102)는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 결과로서 일어날 수 있다. 응집은 캐소드 혼합물의 감소된 성능, 예를 들어 감소된 방전 용량 및 증가된 내부 저항을 야기할 수 있다.
일례에서, 캐소드 혼합물은 전기전도도를 유지하면서 층상 구조물 공동의 스퀴지 충전에 최적화된 땅콩버터 유사 컨시스턴시(consistency)와 비슷할 수 있다. 다른 예에서, 혼합물은 공동 내에 인쇄되기에 충분히 점성일 수 있다. 그러나, 또 다른 예에서, 캐소드 혼합물은 공동 내에 건조, 배치, 및 저장될 수 있다.
캐소드 제조
캐소드 슬러리 화학물질은 캐소드 슬러리 성능을 결정하는 데 있어서 역할을 할 수 있다. 캐소드 슬러리에 대한 첨가제는 산화제, 버퍼, 안정제, 계면활성제, 부동태화제, 착화제, 부식 억제제, 또는 다양한 표면에 선택성을 부여하기 위한 다른 제제로 이루어질 수 있다. 또한, 캐소드 슬러리는 pH 충격을 견디기 위한 버퍼 및/또는 콜로이드 안정성을 위한 첨가제를 함유할 수 있다. 양호한 캐소드 슬러리를 개발하는 것은 이들 및 다른 첨가제의 조합의 균형을 맞추어, 이들이 요구되는 성능과 필요한 물리적 및 화학적 특성을 제공하는 것을 요구할 수 있다.
입자 크기가 캐소드 슬러리 성능에 영향을 미칠 수 있다. 입자 크기 분포는 예를 들어 레이저 회절, 동적 광 산란, 유체 역학적 분별, 침강, 및 음향적 방법에 의해 측정될 수 있다. 일부 예에서, 입자 크기의 평가는 사용되는 측정 기술에 좌우될 수 있는, 절대값보다는 상대값을 생성할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 슬러리 재료 특성의 공정 제어는 공정 제어 사양 내에서의 상대값의 제어에 기초하여 효과적일 수 있다.
캐소드 슬러리는 액체상, 예컨대 용매, 및 고체상, 예컨대 산화제, 계면활성제, 착화제, 버퍼 및/또는 다른 첨가제로 이루어질 수 있다. 2개의 성분이 물리적 또는 화학적 안정성의 이유로 개별적으로 저장될 수 있다. 캐소드 슬러리 내의 성분들의 개수는 제조 공정에 영향을 미칠 수 있다. 제조 공정의 강건성은 특히 성분들의 개수가 증가함에 따라 성분들의 혼합비의 최소화된 변동에 의존할 수 있다. 다른 한편, 추가의 성분들을 포함하는 것에 대한 중요한 동인이 존재할 수 있다. 비제한적인 예에서, 생체적합성 및 슬러리 가용 시간(pot life)(성분들이 혼합된 후의 캐소드 슬러리의 수명)의 장수명 둘 모두를 위해 캐소드 슬러리의 제형의 성분으로서 살생물제를 포함하는 것이 유용할 수 있다. 그러한 예에서, 추가의 살생물제 성분의 첨가는 생성된 배터리의 의미 있는 성능에 관련되는 것이 아닐 수는 있지만, 언급된 이유에 대해 중요할 수 있다. 슬러리 혼합물 내의 모든 성분의 혼합비에 대한 제어는 착물 제형의 전체적인 제어에 도움이 될 수 있다. 다른 예에서, 다중 성분 캐소드 슬러리는 제한된 가용 시간을 가질 수 있다. 일부 착물 제형의 경우, 혼합물로부터의 가스의 증발 또는 흡수 또는 탈착과 같은 효과에 의해 혼합된 후 시간 경과에 따라 슬러리에 발생하는 변화가 있을 수 있다. 그러한 예에서, 더 많은 성분을 첨가할 때 희석 및 pH에 대한 제어가 고려될 필요가 있을 수 있다.
캐소드 슬러리의 콜로이드 안정성이 또한 중요한 제조 고려사항일 수 있다. 예를 들어, 콜로이드 특성이 안정하지 않은 캐소드 슬러리는 혼합물로부터의 더 많은 입자 침강을 가질 수 있다. 따라서, 안정하지 않은 캐소드 슬러리는 더 빈번한 필터 교환을 필요로 할 수 있고, 특수한 혼합 장비를 필요로 할 수 있다. 제형이 실현가능한 범위에서 최적화되고 일정 정도의 콜로이드 불안정성을 갖는 경우, 제형이 원하는 사양 범위 내에서 유지되는 것을 보장하도록 다양한 공정 파라미터의 상당한 모니터링이 요구될 수 있다. 일정 정도의 콜로이드 안정성에 도달하는 것의 일부로서, 제형은 슬러리 내의 일부 고체의 표면 특성을 변경하기 위해 계면활성제를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 콜로이드 안정성을 개선하기 위해 주위 제어(ambient control)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 슬러리 혼합물의 온도 및 일정 범위 내에서의 그 온도의 제어가 안정성을 개선할 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 캐소드 슬러리를 위한 제형은 저장, 혼합 및 분배 양태와 배터리 처리 양태 자체를 포함할 수 있는 제조 동안 이상적인 온도 범위를 요구할 수 있다.
캐소드 슬러리의 특성 및 조성은 제조가능성에 영향을 미칠 수 있다. 대규모 제조에서, 캐소드 슬러리는 도 12에 예시적인 방식으로 예시된 바와 같은, 캐소드 슬러리 분배 시스템(cathode slurry distribution system, cSDS)에 의해 제조 및 전달될 수 있다. 도 12에서, 캐소드 슬러리를 위한 모든 시약(1200)은 개개의 보유 셀 내에 개별적으로 보유될 수 있다. 이는 개개의 고체상 시약(1202, 1204, 1208) 및 개개의 액체 시약(1206)을 포함할 수 있다. 일례에서, 제1 고체상 성분은 제트 밀링된 전해질 이산화망간(JMEMD)일 수 있고; 제2 고체상 시약은 카본 블랙일 수 있으며; 제3 고체상 성분은 폴리아이소부틸렌(PIB)일 수 있고; 제1 액체상 성분은 톨루엔일 수 있다. 이들 시약은 상업적 판매처에 의해 구매되거나, 자체적으로 제조될 수 있다.
시약의 출처와 무관하게, 일정 수준의 시약 처리(1210)가 이루어져야 한다. 시약 처리는 체질(1212, 1214, 1218), 여과(1216), 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 일례에서, JMEMD가 최적 입자 크기로 체질될 수 있고(1212); 카본 블랙이 최적 입자 크기로 체질될 수 있으며(1214); PIB가 최적 입자 크기로 체질될 수 있고(1218); 톨루엔이 임의의 오염물 또는 원하지 않는 입자를 제거하기 위해 체질될 수 있다(1216). 체질 수단은 바스켓 스트레이너(basket strainer), Y 스트레이너, 벨 마우스 스트레이너(bell mouth strainer), 풋 밸브 스트레이너(foot valve strainer), 금속 시프터(metal sifter), 콜랜더(colander), 등급별 체(graduated sieve), 메시 스트레이너(mesh strainer), 및 입자 크기 분포를 위해 사용되는 다른 장치와 같은 체질 도구를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 여과는 필터지, 마이크로여과, 한외여과(ultrafiltration), 나노여과, 크로마토그래피(chromatography), 및 다른 형태의 여과와 같은 여과 수단을 사용함으로써 달성될 수 있다.
시약이 처리되면, 이들은 시약 예비 혼합(1220)으로 전달될 준비가 될 수 있다. 원하는 타입의 캐소드 슬러리에 따라, 시약은 다양한 조합으로 예비 혼합될 수 있다. 일례는 2개의 고체상을 함께 하나의 셀 내에서 예비 혼합하는 것, 및 하나의 고체상을 하나의 액체상과 다른 셀 내에서 예비 혼합하는 것일 수 있다. 예를 들어, JMEMD와 카본 블랙이 함께 하나의 고체상 예비 혼합물(1222)로 예비 혼합될 수 있고, 톨루엔과 PIB가 함께 상이한 액체상 예비 혼합물(1224)로 예비 혼합될 수 있다.
예비 혼합 후, cSDS는 최대 수율을 위해 중요할 수 있는 캐소드 슬러리 품질을 모니터링 및 유지하는 것을 허용하는 추가된 기능성(1230)을 포함할 수 있다. 각각의 예비 혼합 셀은 그것이 수용하는 예비 혼합상에 대해 최적화된 상이한 품질 제어 측정(1232, 1234)을 요구할 수 있다. 통상 측정되는 파라미터는 pH, 비중, 및 입자 크기 분포와 산화제 농도를 포함할 수 있다. 또한, 펌프, 밸브, 피팅(fitting), 및 다른 구성요소가 캐소드 슬러리 특성에 영향을 미칠 수 있다. 일례에서, 고체상 예비 혼합물(1222)이 적절한 검사에 의한 입자 크기 분포 품질 제어(1232)를 요구할 수 있다.
캐소드 슬러리의 거동을 모니터링하기 위해, 물리적 및 화학적 특성 둘 모두가 측정될 수 있다. 물리적 특성의 측정은 pH, 갤론당 중량, 비중, 전도도, 및 % 고체를 포함할 수 있다. 점도가 브룩필드(BROOKFIELD) 점도계를 사용함으로써 측정될 수 있으며, 이는 캐소드 슬러리가 뉴턴(Newtonian) 방식으로 거동할 수 있다(점도가 전단율과 독립적임)는 것을 고려하면 유용할 수 있다. 그러나, 캐소드 형성에 유용한 슬러리의 일부 제형은 비-뉴턴 캐소드 슬러리로서 특징지어질 수 있는 슬러리를 생성할 수 있다. 비-뉴턴 슬러리 역학의 예에서, 점도는 전단율 또는 응력 제어식 유량계(rheometer)를 사용하여 전단율의 함수로서 측정될 수 있다. 공동을 충전하기 위한 본 발명의 예에 따른 캐소드 슬러리의 적용에 유용한 점도의 일례는 대략 250,000 Paㅇs.일 수 있다. 점도는 생체적합성 배터리의 제조 동안 전달되는 슬러리의 특성의 가변성을 최소화하기 위해 품질 제어 시스템의 일부로서 분배 동안뿐만 아니라 cSDS 루프에서 측정될 필요가 있을 수 있는 중요한 측정 기준일 수 있다.
품질 제어 후, 고체상 및 액체상은 함께 혼합되어(1240) 슬러리 혼합물(1242)을 형성할 수 있다. 슬러리 혼합물은 슬러리 상들이 분리되지 않도록 하기 위해 일정한 혼합이 일어나는 셀 내에 함유될 수 있다. 이는 산업용 크기의 혼합 베셀에 의해 달성될 수 있다.
슬러리 혼합이 완료되면, 다른 여과 및 품질 제어 단계(1244)가 수행될 수 있다. 이러한 품질 제어 단계를 통과한 캐소드 슬러리는 슬러리 저장소(1250)로 진행할 수 있다. 슬러리 저장소는 체적 요건을 맞추기 위해 대량 제조에서 사용될 수 있다. 저장 용기 내에 함유된 캐소드 슬러리 혼합물은 고체상 및 액체상을 슬러리 혼합물로 되도록 다시 재혼합하기 위해 슬러리 혼합(1242)으로 다시 재순환될(1253) 필요가 있을 수 있다. 이 단계는 cSDS 전반에 걸쳐 수송 라인 내에 유지되는 슬러리가 역시 재혼합을 필요로 할 수 있기 때문에 사용될 수 있다. 캐소드 슬러리 혼합물 재순환은 이중 다이어프램(double diaphragm) 또는 벨로우 펌프(bellow pump), 및 압력/압력 또는 진공/압력 방법에 의해 구현될 수 있다. 기어, 베인(vane), 또는 원심 펌프가 시스템 내에서의 응집을 야기할 수 있는 높은 전단을 발생시킬 수 있다. 예로서, 1 m/s의 최소 유량이 캐소드 슬러리 재순환을 위해 사용될 수 있다. 슬러리 저장소(1252) 내의 캐소드 슬러리 혼합물이 이어서, 슬러리 분배/충전(1260)으로 진행하기 전에, 여과 및 품질 제어 단계(1254)로 진행할 수 있다.
슬러리 분배/충전은 공동을 갖는 층상 구조물을 얻는 것(1262)을 필요로 할 수 있다. 공동을 갖는 층상 구조물이 얻어지면(1262), 캐소드 슬러리 혼합물은 원하는 표면, 예를 들어 층상 구조물 상에 침착될 수 있다. 분배/충전은 예를 들어 도 8에서 예시된 바와 같은 스퀴지 방법에 의해 달성될 수 있다. 슬러리 분배/충전 후, 톨루엔과 같은 과도한 액체상을 건조 또는 증발시키는 것(1272)을 포함하는 건조 단계(1270)가 수행될 수 있다.
다수의 단계가 본 발명과 관련하여 예시적인 방식으로 기술되었다. 그러한 특성의 다양한 수정, 추가, 삭제, 및 변화가 본 발명의 범주 내에서 가능하다는 것이 이해될 수 있다. 예로서, 다양한 재료가 전술된 것에 추가하여 재료에 수행되는 전처리 또는 후처리를 가질 수 있다.
cSDS에서의 캐소드 슬러리의 취급은 정교한 작업일 수 있고, 캐소드 슬러리가 손상되지 않는 것을 보장하도록 주의를 기울여야 할 수 있다. 이는 캐소드 슬러리에 너무 높은(응집을 야기할 수 있음) 또는 너무 낮은(침강을 야기할 수 있음) 전단을 가하지 않는 것, 탱크 내의 상부 공간을 습하게 유지하는 것, 및 시스템에 대한 정기적인 유지관리를 수행하는 것을 의미할 수 있다. cSDS 시스템의 최적화는 응집을 감소시키고 공정 변화를 최소화하는 것을 필요로 할 수 있다.
배터리 아키텍처와 제조
배터리 아키텍처와 제조 기술은 밀접하게 관련될 수 있다. 본 발명의 앞선 섹션에서 논의되었던 바와 같이, 배터리는 다음 요소, 즉 캐소드, 애노드, 세퍼레이터, 전해질, 캐소드 전류 콜렉터, 애노드 전류 콜렉터, 및 패키징을 갖는다. 현명한 설계는 이들 요소를 제조하기 쉬운 하위조립체들로 조합하려고 시도할 수 있다. 다른 예에서, 최적화된 설계는 전류 콜렉터로서의 기능을 겸하도록 금속 패키지를 사용하는 것과 같은, 이중-용도 구성요소를 가질 수 있다. 상대 체적 및 두께 관점에서, 이들 요소는 캐소드를 제외하고는 거의 모두 동일한 체적일 수 있다. 일부 예에서, 전기화학 시스템은 기계적 밀도, 에너지 밀도, 방전 효율, 재료 순도와 결합제, 충전제, 및 전도성 제제의 존재에 있어서의 상당한 차이로 인해 애노드보다 약 2배 내지 10배의 캐소드 체적을 필요로 할 수 있다. 이들 예에서, 다양한 구성요소의 상대 규모는 요소들의 다음의 두께에서 근사화될 수 있다: 애노드 전류 콜렉터 = 1 μm; 캐소드 전류 콜렉터 = 1 μm; 전해질 = 간질성 액체(interstitial liquid)(사실상 0 μm); 세퍼레이터 = 원하는 바에 따라 얇거나 두꺼우며, 여기서 계획된 최대 두께는 대략 15 μm일 수 있음; 애노드 = 5 μm; 및 캐소드 = 50 μm. 이들 예의 요소에 대해, 사용 환경에서 배터리 화학물질을 유지하기에 충분한 보호를 제공하는 데 필요한 패키징은 대략 50 μm의 계획된 최대 두께를 가질 수 있다.
원통형 또는 직사각형 형태와 같은 큰 프리즘형 구성과는 근본적으로 상이할 수 있는, 그리고 웨이퍼-기반 고체 상태 구성과는 상이할 수 있는 일부 예에서, 그러한 예는 다양한 구성으로 제조된 웨브 또는 시트를 사용하여, 배터리 요소들이 내부에 배열되는 "파우치(pouch)"형 구성을 취할 수 있다. 이 격납체는 다른 면 위로 절첩된 하나의 필름 또는 2개의 필름을 가질 수 있으며, 그것들의 양쪽 구성은 2개의 대략 평면형인 표면을 형성할 수 있으며, 이들 표면은 이어서 용기를 형성하도록 주연부 상에서 밀봉될 수 있다. 이러한 얇지만 넓은 폼 팩터는 배터리 요소 그것 자체를 얇고 넓게 만들 수 있다. 또한, 이들 예는 코팅, 그라비어 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, 또는 다른 유사한 제조 기술을 통한 응용에 적합할 수 있다.
얇지만 넓은 폼 팩터를 갖는 이들 "파우치형" 배터리 예에서, 애노드, 세퍼레이터 및 캐소드와 같은 내부 구성요소들의 많은 배열이 있을 수 있다. 2개의 필름에 의해 형성되는 둘러싸인 영역 내에서, 이들 기본 요소는 동일한 평면 상에 나란히 있는 "공면형(co-planar)"이거나 대향 평면들 상에서 마주볼 수 있는 "대면형(co-facial)"일 수 있다. 공면형 배열에서, 애노드, 세퍼레이터, 및 캐소드는 동일한 표면 상에 침착될 수 있다. 대면형 배열의 경우, 애노드는 표면-1 상에 침착될 수 있고, 캐소드는 표면-2 상에 침착될 수 있고, 세퍼레이터는 이들 둘 사이에 배치되거나, 면들 중 하나 상에 침착될 수 있거나, 그것 자신의 별개의 요소로서 삽입될 수 있다.
다른 타입의 예가 웨브 또는 시트 형태의 필름을 사용하여 배터리를 적층 구성하는 것을 수반할 수 있는 라미네이트 조립체로 분류될 수 있다. 시트들은 감압 접착제, 열 활성화 접착제, 또는 화학 반응-기반 접착제와 같은 접착제를 사용하여 서로 접합될 수 있다. 일부 예에서, 시트들은 열 용접, 초음파 용접 등과 같은 용접 기술에 의해 접합될 수 있다. 시트는 롤투롤(roll-to-roll, R2R), 또는 시트-투-시트(sheet-to-sheet) 조립과 같은 표준 산업 실무에 적합할 수 있다. 앞서 나타낸 바와 같이, 캐소드에 대한 내부 체적은 배터리 내의 다른 능동 요소보다 상당히 더 클 필요가 있을 수 있다. 많은 배터리 구성은 이러한 캐소드 재료의 공간을 생성하여야 하고, 그것을 배터리의 휨 중의 이동으로부터 지지하여야 할 수 있다. 두께 예산의 상당한 부분을 소비할 수 있는 배터리 구성의 다른 부분은 세퍼레이터 재료일 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터의 시트 형태가 라미네이트 처리에 대한 유리한 해법을 생성할 수 있다. 다른 예에서, 세퍼레이터는 하이드로겔 재료를 세퍼레이터로서의 역할을 하도록 층 내에 분배함으로써 형성될 수 있다.
이들 라미네이트 배터리 조립체 예에서, 형성 제품은 패키지 층과 애노드 전류 콜렉터의 조합일 수 있는 애노드 시트뿐만 아니라 애노드 층을 위한 기재를 가질 수 있다. 형성 제품은 또한 선택적인 세퍼레이터 스페이서 시트, 캐소드 스페이서 시트, 및 캐소드 시트를 가질 수 있다. 캐소드 시트는 패키지 층과 캐소드 전류 콜렉터 층의 조합일 수 있다.
전극과 전류 콜렉터 사이의 밀착 접촉이 임피던스를 감소시키고 방전 용량을 증가시키는 데 매우 중요하다. 전극의 부분이 전류 콜렉터와 접촉하지 않으면, 전도가 전극(전형적으로 전류 콜렉터보다 덜 전도성임)을 통해 이루어지거나 전극의 일부분이 완전히 분리될 수 있기 때문에 저항이 증가할 수 있다. 코인 전지 및 원통형 배터리에서, 밀착성은 캔을 크림핑(crimping)하고 페이스트를 캔 내에 패킹하기 위한 기계적인 힘으로, 또는 유사한 수단을 통해 실현된다. 파형 와셔 또는 유사한 스프링이 배터리 내에서 힘을 유지시키기 위해 상업용 전지에 사용되지만; 이것들은 소형 배터리의 전체 두께에 추가될 수 있다. 전형적인 패치 배터리에서, 세퍼레이터가 전해질 중에 포화되고, 전극을 가로질러 배치되며, 외부 패키징에 의해 아래로 가압될 수 있다. 층상 대면형 배터리에서, 전극 밀착성을 증가시키기 위한 여러 가지 방법이 있다. 애노드는 페이스트를 사용하기보다는 전류 콜렉터 상에 직접 도금될 수 있다. 이러한 공정은 내재적으로 높은 수준의 밀착성과 전도성을 가져온다. 그러나, 캐소드는 전형적으로 페이스트이다. 캐소드 페이스트 내에 존재하는 결합제 재료가 접착과 응집을 제공할 수 있지만, 캐소드 페이스트가 캐소드 전류 콜렉터와 접촉하여 유지되는 것을 보장하기 위해 기계적 압력이 필요할 수 있다. 이는 특히 패키지가 휘어지고 배터리가 노화되고 방전될 때, 예를 들어 습기가 얇고 작은 시일을 통해 패키지로부터 빠져나갈 때 중요할 수 있다. 캐소드의 압착은 층상 대면형 배터리에서 애노드와 캐소드 사이에 유연성 세퍼레이터 및/또는 전해질을 도입함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어 겔 전해질 또는 하이드로겔 세퍼레이터가 조립체 상에 압착될 수 있고, 액체 전해질이 그럴 수 있는 바와 같이 간단히 배터리 밖으로 유출되지 않을 수 있다. 일단 배터리가 밀봉되면, 이어서 전해질 및/또는 세퍼레이터가 다시 캐소드 쪽으로 가압될 수 있다. 층상 스택의 조립 후에 엠보싱 단계가 수행되어, 스택에 압축을 도입할 수 있다.
생체적합성 배터리에 사용하기 위한 캐소드 혼합물은, 예를 들어 심장 박동 조절 장치 및 마이크로-에너지 하베스터와 같은 이식가능 전자 장치, 생물학적 기능을 모니터링 및/또는 검사하기 위한 전자 알약, 능동 구성요소를 갖는 수술 장치, 안과용 장치, 마이크로크기 펌프, 제세동기, 스텐트 등과 같은 생체적합성 장치에 사용될 수 있다.
생체적합성 배터리에 사용하기 위한 캐소드 혼합물에 대한 샘플 실시예를 예시하기 위해 특정 예가 기술되었다. 이들 예는 상기의 예시를 위한 것이며, 임의의 방식으로 청구범위의 범주를 제한하고자 의도되지 않는다. 따라서, 본 설명은 당업자에게 명백할 수 있는 모든 예를 포함하고자 한다.

Claims (24)

  1. 생체적합성 배터리(biocompatible battery)에 사용하기 위한 캐소드 슬러리(cathode slurry)를 제조하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 액체상 예비 혼합물과 하나 이상의 고체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    공동(cavity)을 형성하도록 제거된 체적부(volume)를 갖는 층상 구조물(laminar structure)을 얻는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계; 및
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 상기 층상 구조물의 상기 공동 내로 분배하여, 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고체상 예비 혼합물 및 상기 액체상 예비 혼합물의 품질을 확인하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 여과한 후에 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 저장 및 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액체상 예비 혼합물은 하나 이상의 시약들을 포함하고, 적어도 하나의 시약은 액체상 시약인, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 액체상 시약들을 여과하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 하나의 액체상 시약은 용매를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용매는 톨루엔을 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고체상 예비 혼합물은 하나 이상의 고체상 시약들을 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 고체상 시약들을 균일한 입자 크기로 체질(sieving)하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 고체상 시약은 제트 밀링된(jet milled) 전해질 이산화망간을 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 하나의 고체상 예비 혼합물이 전이 금속 산화물을 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전이 금속 산화물은 이산화망간을 포함하는, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 하나의 고체상 시약이 탄소 동소체를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 탄소 동소체는 흑연을 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 흑연은 카본 블랙을 포함하는, 방법.
  17. 제5항에 있어서, 상기 액체상 예비 혼합물은 소수성 결합제를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 소수성 결합제는 폴리아이소부틸렌(PIB)을 포함하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 소수성 결합제는 플루오로카본 고체를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 플루오로카본 고체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는, 방법.
  21. 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 제조하기 위한 방법으로서,
    톨루엔, 이산화망간, 카본 블랙, 및 폴리아이소부틸렌을 얻는 단계;
    톨루엔을 여과하는 단계;
    이산화망간을 체질하는 단계;
    카본 블랙을 체질하는 단계;
    폴리아이소부틸렌을 체질하는 단계;
    상기 톨루엔과 상기 폴리아이소부틸렌을 액체상 예비 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    상기 이산화망간과 상기 카본 블랙을 고체상 예비 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    상기 고체상 예비 혼합물 및 상기 액체상 예비 혼합물 둘 모두의 품질을 확인하는 단계;
    상기 고체상 예비 혼합물과 상기 액체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 저장하는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 재순환시키는 단계;
    공동을 형성하도록 제거된 체적부를 갖는 층상 구조물을 얻는 단계;
    상기 저장된 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계;
    상기 여과된 캐소드 슬러리 혼합물을 상기 층상 구조물의 상기 공동 내로 분배하는 단계; 및
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시켜, 생체적합성 배터리에 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 생체의료 장치에 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 액체상 예비 혼합물과 하나 이상의 고체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    공동을 형성하도록 제거된 체적부를 갖는 층상 구조물을 얻는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계; 및
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 상기 층상 구조물의 상기 공동 내로 분배하여, 생체의료 장치에 사용하기 위한 상기 캐소드 슬러리를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 생체의료 장치는 인서트 장치(insert device)를 포함하고, 상기 인서트 장치는,
    제어 전압 신호에 응답하는 전기활성 요소;
    생체적합성 배터리로서,
    상기 생체적합성 배터리는,
    제1 및 제2 전극;
    애노드;
    세퍼레이터(separator);
    층상 구조물로서, 상기 층상 구조물의 적어도 하나의 층은 공동을 형성하도록 제거된 체적부를 갖는, 상기 층상 구조물; 및
    상기 캐소드 슬러리로서, 상기 캐소드 슬러리의 하나의 성분의 적어도 평균 분자 크기는, 상기 성분을 밀링함으로써 입자 크기가 감소되는, 상기 캐소드 슬러리를 포함하며,
    상기 캐소드 슬러리는 상기 공동 내의 상기 층상 구조물을 통한 전기전도도를 유지하면서, 상기 캐소드 슬러리의 리올로지(rheology)에 기초하여, 상기 공동을 충전할 수 있는, 상기 생체적합성 배터리; 및
    생체적합성 배터리에 전기적으로 연결된 회로로서, 상기 제어 전압 신호를 제공하는, 상기 회로를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 생체의료 장치는 콘택트 렌즈인, 방법.
  24. 생체의료 장치에 사용하기 위한 캐소드 슬러리 혼합물을 제조하는 방법으로서,
    하나 이상의 액체상 예비 혼합물과 하나 이상의 고체상 예비 혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    공동을 형성하도록 제거된 체적부를 갖는 층상 구조물을 얻는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 여과하는 단계; 및
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 상기 층상 구조물의 상기 공동 내로 분배하여, 생체의료 장치에 사용하기 위한 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 생체의료 장치는,
    인서트 장치를 포함하고, 상기 인서트 장치는,
    제어 전압 신호에 응답하는 전기활성 요소;
    생체적합성 배터리로서,
    상기 생체적합성 배터리는,
    제1 및 제2 전극;
    애노드;
    세퍼레이터; 및
    캐소드 혼합물을 저장하기 위한 상기 공동을 포함하고,
    상기 캐소드 혼합물은 전기전도도 및 생체적합성을 유지하면서, 상기 캐소드 혼합물의 리올로지에 기초하여, 저장될 수 있고,
    상기 캐소드 슬러리 혼합물은,
    이산화망간;
    흑연;
    폴리아이소부틸렌(PIB);
    톨루엔을 포함하며,
    상기 캐소드 혼합물의 하나의 성분의 적어도 평균 분자 크기는, 상기 성분을 밀링함으로써 입자 크기가 감소되는, 상기 생체적합성 배터리; 및
    상기 생체적합성 배터리에 전기적으로 연결된 회로로서, 상기 제어 전압 신호를 제공하는, 상기 회로를 포함하는, 방법.
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