KR20180120104A - 콘택트 렌즈를 위한 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

콘택트 렌즈를 위한 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20180120104A
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battery
cathode
mixture
biocompatible
separator
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프레더릭 에이. 플릿치
조지 곤잘레스
캐서린 하아디
에드워드 알. 커닉
다니엘 비. 오츠
랜달 비. 퓨
제임스 다니엘 리알
아담 토너
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존슨 앤드 존슨 비젼 케어, 인코포레이티드
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Abstract

생체적합성 동력공급 요소들을 형성하기 위한 방법들 및 장치가 기술되어 있다. 일부 예에서, 생체적합성 동력공급 요소들을 형성하기 위한 방법들 및 장치는 활성 캐소드 화학물질을 포함하는 공동들을 형성하는 것을 수반한다. 캐소드 및 애노드의 활성 요소들은 생체적합성 재료로 밀봉된다. 일부 예에서, 본 방법들 및 장치에 대한 사용 분야는 동력공급 요소들을 필요로 하는 임의의 생체적합성 디바이스 또는 제품을 포함할 수 있다.

Description

콘택트 렌즈를 위한 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법{A METHOD FOR MANUFACTURING A BIOCOMPATIBLE CATHODE SLURRY FOR USE IN BIOCOMPATIBLE BATTERIES FOR A CONTACT LENS}
관련 출원과의 상호 참조
본 특허 출원은 2015년 7월 21일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/804,606호 - 이는 2014년 8월 21일자로 출원된 미국 가출원 제62/040,178호의 이익을 주장하고, 2011년 8월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/196,210호의 일부 계속 출원임 - 의 일부 계속 출원이다. 이들 각각의 내용은 믿을 수 있고 본 명세서에 포함된다.
기술분야
생체적합성 배터리들에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법들이 기술된다. 일부 예에서, 본 방법들은, 전류가 유입되거나 진공 또는 유동성 상태로 남게 되는 전기 전도체를 제조하는 단계를 수반한다. 일부 예에서, 생체적합성 배터리들에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법들에 대한 사용 분야는 에너지를 필요로 하는 임의의 생체적합성 디바이스 또는 제품을 포함할 수 있다.
최근, 의료 디바이스들의 개수 및 그들의 기능이 빠르게 발전하기 시작했다. 이들 의료 디바이스는, 예를 들어, 이식가능 심장 박동 조절기(pacemaker), 생물학적 기능을 모니터링 및/또는 검사하기 위한 전자 알약(electronic pill), 능동 구성요소를 갖는 수술 디바이스, 콘택트 렌즈, 주입 펌프, 및 신경 자극기를 포함할 수 있다. 전술된 의료 디바이스들 중 많은 것에 대한 추가 기능 및 성능의 증가가 이론화 및 개발되었다. 그러나, 이론화된 추가 기능을 달성하기 위하여, 이들 디바이스들 중 많은 것이 현재 이들 디바이스의 크기 및 형상 요건뿐만 아니라, 새로운 동력공급형 구성 요소의 에너지 요건과 양립가능한 자족적(self-contained) 동력공급 수단을 필요로 한다.
일부 의료 디바이스는 많은 생체적합성 및/또는 이식가능 디바이스 내에 포함될 수 있고 다양한 기능을 수행하는 반도체 디바이스와 같은 전기 구성요소를 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 반도체 구성요소는 에너지를 필요로 하며, 이에 따라, 바람직하게는 동력공급 요소가 또한 그러한 생체적합성 디바이스 내에 포함되어야 한다. 생체적합성 디바이스의 토폴로지(topology) 및 비교적 작은 크기는 다양한 기능의 정의를 위한 도전적인 환경을 만들 수 있다. 많은 예에서, 생체적합성 디바이스 내의 반도체 구성요소에 동력을 공급하기 위한 안전하고, 신뢰할 수 있고, 콤팩트하고 비용 효율적인 수단을 제공하는 것이 중요할 수 있다. 따라서, 밀리미터 크기 또는 보다 작은 크기의 동력공급 요소들의 구조물이 생체적합성을 유지하면서 동력공급 요소에 향상된 기능을 제공하는 생체적합성 디바이스들 내에 또는 그 상에 이식을 위해 형성되는 생체적합성 동력공급 요소들에 대한 필요성이 존재한다.
디바이스에 전력을 공급하기 위해 사용되는 하나의 그러한 동력공급 요소는 배터리일 수 있다. 다양한 유형의 화학물질 기반 에너지 저장 재료들을 함유할 수 있는 배터리들에서의 공통 요소가 배터리 캐소드이다. 배터리들의 기능은 구조물의 설계, 재료들, 및 배터리 캐소드의 형성에 관련된 공정들에 대단히 중요하게 의존할 수 있다. 또한, 일부 예에서, 배터리 캐소드 재료들의 격납은 생체적합성의 중요한 양태일 수 있다.
캐소드 슬러리는 생체적합성 배터리의 구성요소일 수 있다. 캐소드 슬러리의 선택은 생체적합성 배터리의 통합, 제조, 물류 관리(logistics), 신뢰성, 및 수율에 영향을 미칠 수 있다. 슬러리 기술은 슬러리 산업의 필요로 하는 요건들과 보조를 맞추어 발전해 왔다. 캐소드 슬러리 제조는, 입자 합성; 분산, 혼합, 및 여과; 전기화학, 콜로이드 과학 및 표면 화학; 유체 역학; 및 수치 해석의 분야에서의 전문 지식을 필요로 할 수 있다. 작업의 전문 지식은, 공급업체가 캐소드 슬러리를 언제나 완전하게 제조하고 대량 제조를 위해 캐소드 슬러리를 전달하기 위해 유용할 수 있다. 추가로, 배터리 요소들 및 이들을 안과용 디바이스들을 위한 생체적합성 에너지 공급원들로서 만들기 위해 사용되는 제조 시스템들을 설계할 때, 안과 및 안과용 디바이스에서의 전문 지식은 캐소드 슬러리를 사용하여 형성되는 생체적합성 디바이스의 안전 프로파일에 중요할 수 있다. 따라서, 생체적합성 동력공급 요소들에서 사용하기 위한 작은 생체적합성 캐소드들을 제조하는 신규한 예들에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 하나의 대체적인 태양은 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 본 방법은, 액체상 예비혼합물 중 하나 이상과 고체상 예비혼합물 중 하나 이상을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 공동을 형성하도록 제거된 체적을 갖는 층상 구조물을 획득한다. 다음으로, 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링한다. 마지막으로, 층상 구조물의 공동 내로 캐소드 슬러리 혼합물을 분배하여, 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 형성한다.
구현예들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 방법은 고체상 예비혼합물 및 액체상 예비혼합물의 품질을 확인하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한, 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계 이후에 캐소드 슬러리 혼합물을 저장 및 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 액체상 예비혼합물은, 적어도 하나의 시약이 액체상 시약인 하나 이상의 시약들을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 액체상 시약들을 필터링하는 단계를 포함할 수 있다. 하나의 액체상 시약은 용매를 포함할 수 있다. 용매는 톨루엔을 포함할 수 있다.
고체상 예비혼합물은 하나 이상의 고체상 시약들을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 고체상 시약들을 균일한 입자 크기로 체질하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 친수성 결합제를 포함하는 고체상 시약들을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 전이 금속 산화물을 포함하는 하나의 고체상 예비혼합물을 포함할 수 있다. 전이 금속 산화물은 이산화망간을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 탄소 동소체를 포함하는 하나의 고체상 시약을 포함할 수 있다. 탄소 동소체는 흑연을 포함할 수 있다. 흑연은 카본 블랙을 포함할 수 있다. 본 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. 본 방법은 또한, 콘택트 렌즈인 생의학 디바이스를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 대체적인 태양은 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 제조하기 위한 방법을 포함하는데, 본 방법은 톨루엔, 이산화망간, 카본 블랙, 및 폴리아이소부틸렌을 획득하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한, 톨루엔을 필터링하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 이산화망간, 카본 블랙, 및 폴리아이소부틸렌을 체질하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 톨루엔 및 폴리아이소부틸렌을 액체상 예비혼합물로 되도록 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 이산화망간 및 카본 블랙을 고체상 예비혼합물로 되도록 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 고체상 예비혼합물 및 액체상 예비혼합물 둘 모두의 품질을 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 고체상 예비혼합물 및 액체상 예비혼합물을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계, 이어서 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 캐소드 슬러리 혼합물을 저장하는 단계, 이어서 캐소드 슬러리 혼합물을 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 공동을 형성하도록 제거된 체적을 갖는 층상 구조물을 획득하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 저장된 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계, 이어서 필터링된 캐소드 슬러리 혼합물을 층상 구조물의 공동 내로 분배하는 단계, 이어서 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드를 형성하기 위해 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 대체적인 태양은, 생의학 디바이스에서 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 방법을 포함하는데, 본 방법은, 액체상 예비혼합물 중 하나 이상과 고체상 예비혼합물 중 하나 이상을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계, 공동을 형성하도록 제거된 체적을 갖는 층상 구조물을 획득하는 단계, 및 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한, 층상 구조물의 공동 내로 캐소드 슬러리 혼합물을 분배하여 생의학 디바이스에서 사용하기 위한 캐소드 슬러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있는데, 여기서 생의학 디바이스는 삽입체 디바이스를 포함한다. 삽입체 디바이스는 제어 전압 신호에 응답하는 전기활성 요소를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 생체적합성 배터리를 포함할 수 있다. 생체적합성 배터리는, 제1 및 제2 전극, 애노드, 세퍼레이터, 층상 구조물(여기서, 층상 구조물의 적어도 하나의 층은 공동을 형성하도록 제거된 체적을 가짐)을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 캐소드 슬러리를 포함할 수 있는데, 여기서 적어도 캐소드 슬러리의 하나의 성분의 평균 분자 크기는 그 성분을 밀링(milling)함으로써 입자 크기가 감소된다. 본 방법은 또한, 공동 내에서 층상 구조물을 통한 전기전도성을 유지하면서, 그의 리올로지(rheology)에 기초하여 공동을 충전할 수 있는 캐소드 슬러리를 포함할 수 있다. 본 방법은 또한 생체적합성 배터리에 전기적으로 연결된 회로를 포함할 수 있는데, 여기서 회로는 제어 전압 신호를 제공한다. 본 방법은 콘택트 렌즈인 생의학 디바이스를 포함할 수 있다.
하나의 태양에 따르면, 본 발명은 콘택트 렌즈에서 사용하기 위한 생체적합성 배터리를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은, 액체상 예비혼합물 중 하나 이상과 고체상 예비혼합물 중 하나 이상을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계; 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계로서, 생체적합성 배터리의 라미네이팅된 코어의 불충분한 충전을 야기할 수 있는 입자들을 캐소드 슬러리로부터 제거하는, 상기 필터링하는 단계; 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 내로 캐소드 슬러리 혼합물을 분배하는 단계로서, 필터링하는 단계가 캐소드 슬러리를 분배하는 단계 이전에 발생하는, 상기 분배하는 단계; 생체적합성을 위해 라미네이팅된 코어를 밀봉하는 단계; 및 생체적합성 배터리를 콘택트 렌즈 내에 삽입하는 단계를 포함하고, 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계는 생체적합성 배터리를 콘택트 렌즈 내로 끼워맞추기에 충분히 작은 형태로 형성하는 것을 지원한다.
도 1a 내지 도 1d는 콘택트 렌즈들의 예시적인 응용과 협력하는 생체적합성 동력공급 요소들의 예시적인 태양들을 도시한다.
도 2는 예시적인 배터리 설계의 개별 전지들의 예시적인 크기 및 형상을 도시한다.
도 3a는 예시적인 애노드 및 캐소드 연결부를 갖는 제1 독립형의 패키징된 생체적합성 동력공급 요소를 도시한다.
도 3b는 예시적인 애노드 및 캐소드 연결부를 갖는 제2 독립형의 패키징된 생체적합성 동력공급 요소를 도시한다.
도 4a 내지 도 4n은 생의학 디바이스용의 생체적합성 동력공급 요소들의 형성을 위한 예시적인 방법 단계들을 도시한다.
도 5는 예시적인 완전히 형성된 생체적합성 동력공급 요소를 도시한다.
도 6a 내지 도 6f는 생체적합성 동력공급 요소들의 구조적 형성을 위한 예시적인 방법 단계들을 도시한다.
도 7a 내지 도 7f는 대안적인 전기도금 방법을 이용한 생체적합성 동력공급 요소들의 구조적 형성을 위한 예시적인 방법 단계들을 도시한다.
도 8a 내지 도 8h는 생의학 디바이스들을 위한 하이드로겔 세퍼레이터를 갖는 생체적합성 동력공급 요소들의 형성을 위한 예시적인 방법 단계들을 도시한다.
도 9a 내지 도 9c는 대안적인 하이드로겔 처리 예들을 이용한 생체적합성 동력공급 요소들의 구조적 형성을 위한 예시적인 방법 단계들을 도시한다.
도 10a 내지 도 10f는 공동 내로의 캐소드 혼합물의 최적화된 침착 및 비최적화된 침착을 도시한다.
도 11은 공동 내부의 캐소드 혼합물의 응집을 도시한다.
도 12는 생체적합성 배터리들에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하기 위한 예시적인 방법 단계들을 도시한다.
생체적합성 배터리들에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 슬러리를 제조하는 방법들이 본 출원에 개시되어 있다. 하기의 섹션에서, 다양한 예들의 상세한 설명이 기술된다. 예들의 설명은 단지 예시적인 실시 형태이고, 다양한 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 수 있다. 따라서, 예들은 본 출원의 범주를 제한하지 않는다. 캐소드 혼합물들, 및 그들을 함유하는 구조물들은 생체적합성 배터리들에서 사용하기 위해 설계될 수 있다. 일부 예에서, 이러한 생체적합성 배터리들은 생명체의 몸체 내에서 또는 그에 근접하여 사용되도록 설계될 수 있다.
용어
하기의 설명 및 청구범위에서, 다음의 정의가 적용될 다양한 용어가 사용될 수 있다:
"애노드"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전류가 그를 통해 극성을 띤 전기 디바이스로 흘러들어가는 전극을 지칭한다. 전류의 방향은 통상적으로 전자 흐름 방향에 반대이다. 다시 말해서, 전자는 애노드로부터, 예를 들어, 전기 회로 내로 흐른다.
"결합제"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 기계적 변형에 탄성 반응을 나타낼 수 있고, 다른 동력공급 요소 구성요소와 화학적으로 호환가능한 중합체를 지칭한다. 예를 들어, 결합제는 전기활성 재료, 전해질, 중합체 등을 포함할 수 있다.
"생체적합성"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 특정 응용에서 적절한 숙주 반응과 함께 수행하는 재료 또는 디바이스를 지칭한다. 예를 들어, 생체적합성 디바이스는 생물학적 시스템에 독성의 또는 해로운 영향을 미치지 않는다.
"캐소드"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전류가 그를 통해 극성을 띤 전기 디바이스로부터 흘러나오는 전극을 지칭한다. 전류의 방향은 통상적으로 전자 흐름 방향에 반대이다. 따라서, 전자는 극성을 띤 전기 디바이스의 캐소드로 흘러들어가고, 예를 들어, 연결된 전기 회로로부터 흘러나온다.
"코팅"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 얇은 형태의 재료의 침착물(deposit)을 지칭한다. 일부 사용에서, 상기 용어는 코팅이 형성되는 기판의 표면을 충분히 덮는 얇은 침착물을 지칭할 것이다. 다른 더 많은 특정 사용에서, 상기 용어는 표면의 더 작은 영역의 작고 얇은 침착물들을 설명하기 위하여 사용될 수 있다.
"전극"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 에너지 공급원 내의 능동형 질량체(active mass)를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 이는 애노드 및 캐소드 중 하나 또는 둘 모두를 포함할 수 있다.
"동력공급된"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 전류를 공급할 수 있거나 내부에 전기 에너지가 저장되도록 할 수 있는 상태를 지칭한다.
"에너지"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 일을 수행하는 물리적 시스템의 능력을 지칭한다. 동력공급 요소의 많은 용도는 전기적 작용을 수행할 수 있는 능력과 관련될 수 있다.
"에너지 공급원" 또는 "동력공급 요소" 또는 "동력공급 디바이스"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 에너지를 공급할 수 있거나 논리 디바이스 또는 전기 디바이스를 동력공급된 상태에 놓을 수 있는 임의의 디바이스 또는 층을 지칭한다. 동력공급 요소는 배터리를 포함할 수 있다. 배터리는 알칼리 유형 전지 화학물질로 형성될 수 있고 고체 상태 배터리 또는 습전지(wet cell) 배터리일 수 있다.
"충전제"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 산성 및 알칼리성 전해질 어느 것과도 반응하지 않는 하나 이상의 동력공급 요소 세퍼레이터를 지칭한다. 일반적으로, 충전제는 실질적으로 다음과 같은 수불용성의 재료를 포함할 수 있다: 카본 블랙; 석탄; 흑연; 규소, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 티타늄, 철, 아연, 및 주석의 것과 같은 금속 산화물 및 수산화물; 금속 카르보네이트, 예컨대 칼슘 및 마그네슘의 금속 카르보네이트; 운모, 몬모롤로나이트(montmorollonite), 카올리나이트(kaolinite), 아타풀가이트(attapulgite), 및 활석과 같은 미네랄; 포틀랜드 시멘트와 같은 합성 및 천연 제올라이트; 침강 금속 실리케이트, 예컨대 칼슘 실리케이트; 중공 또는 중실 중합체 또는 유리 미소구체, 박편 및 섬유; 등.
"기능화된"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 예를 들어, 층 또는 디바이스가 동력공급, 활성화, 및/또는 제어를 포함하는 기능을 수행할 수 있게 하는 것을 지칭한다.
"금형"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 경화되지 않은 제형으로부터 3차원 물체를 형성하기 위해 사용될 수 있는 강성 또는 반-강성 물체를 지칭한다. 일부 예시적인 금형은, 서로 대향될 때, 3차원 물체의 구조를 한정하는 2개의 금형 부분품(mold part)을 포함한다.
"일률"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단위 시간당 행한 일 또는 전달된 에너지를 지칭한다.
"재충전가능한" 또는 "동력 재공급가능한"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 보다 높은 일 수행 능력을 갖는 상태로 복원되는 능력을 지칭한다. 많은 용도는 소정의 회복 기간 동안 소정의 비율로 전류를 흘리는 능력이 복원되는 능력에 관계될 수 있다.
"동력 재공급" 또는 "재충전"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 보다 높은 일 수행 능력을 갖는 상태로 복원하는 것을 지칭한다. 많은 용도는 소정의 회복 기간 동안 소정의 비율로 전류를 흘리는 능력으로 디바이스를 복원하는 것에 관계될 수 있다.
"이형된"은 본 명세서에 사용되고 종종 "금형으로부터 이형된"으로 지칭되는 바와 같이, 3차원 물체가 금형으로부터 완전히 분리되거나, 금형에 단지 느슨하게 부착되어, 약한 교반으로 분리될 수 있도록 하는 것을 의미한다.
"적층된"은 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 적어도 2개의 구성요소 층들을 서로 근접하게 배치하여, 층들 중 하나의 층의 일 표면의 적어도 일부분이 제2 층의 제1 표면과 접촉하게 하는 것을 의미한다. 일부 예에서, 코팅은, 접착을 위한 것이든지 또는 다른 기능을 위한 것이든지 간에, 상기 코팅을 통해 서로 접촉하는 2개의 층들 사이에 있을 수 있다.
"트레이스"는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 회로 구성요소를 함께 연결할 수 있는 동력공급 요소 구성요소를 지칭한다. 예를 들어, 회로 트레이스는 기판이 인쇄 회로 보드일 때 구리 또는 금을 포함할 수 있고, 전형적으로 가요성 회로에서 구리, 금 또는 인쇄된 필름일 수 있다. "트레이스"의 특정 유형은 전류 콜렉터이다. 전류 콜렉터는 전류 콜렉터를 전해질의 존재 시에 애노드 또는 캐소드로 그리고 그로부터 전자를 전도하는 데 사용하기에 적합하게 하는 전기화학적 상용성을 갖는 트레이스이다.
본 명세서에서 제공되는 방법 및 장치는 평평한 또는 3차원의 생체적합성 디바이스 내에 또는 그 상에 포함시키기 위한 생체적합성 동력공급 요소를 형성하는 것에 관련된다. 동력공급 요소의 특정 부류는 층들로 제조된 배터리일 수 있다. 층들은 또한 라미네이트 층들로서 분류될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 배터리는 층상 배터리(laminar battery)로서 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 섹션에서는, 일부 특성 및 파라미터에 집중될 것이다.
생체적합성 동력공급 요소를 갖는 예시적인 생의학 디바이스 구성
본 발명의 동력공급 요소인 배터리를 포함할 수 있는 생의학 디바이스의 예는 전기활성 초점-조절 콘택트 렌즈일 수 있다. 도 1a를 참조하면, 그러한 콘택트 렌즈 삽입체(insert)의 예가 콘택트 렌즈 삽입체(100)로서 도시될 수 있다. 콘택트 렌즈 삽입체(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 놓인 것으로 도시될 수 있는 바와 같은 피스들을 함께 접합하기 위한 다양한 상호연결 특징부(feature)를 가질 수 있다. 배터리 요소(110)는 회로 요소에 연결될 수 있고, 회로 요소는 상호연결 특징부들(125)이 상부에 위치될 수 있는 그 자신의 기판(111)을 가질 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 삽입체(100) 및 그것의 논의된 구성요소를 포함할 수 있다. 콘택트 렌즈 삽입체(100)는, 콘택트 렌즈 삽입체(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 접힐 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 삽입체와 함께 생체적합성 디바이스 내에 포함될 모듈형 전기 및 배터리 구성요소를 포함할 수 있다.
세그먼트형 배터리 구성
도 2를 참조하면, 세그먼트형 배터리 구성의 상이한 유형들의 예가 콘택트 렌즈 유형의 예를 위한 예시적인 배터리 요소에 대해 도시되어 있다. 세그먼트형 구성요소는 비교적 원형인 형상(271), 정사각형인 형상(272) 또는 직사각형인 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 생의학 디바이스 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 그러한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 의료 디바이스가 제한적인 2D 또는 3D 형상 요건을 갖는 경우에 유사한 유익한 기하학적 형상이 형성될 수 있음이 명백할 수 있다.
배터리의 생체적합성 양태
일례로서, 본 발명에 따른 배터리는 안전성 및 생체적합성과 관련된 중요한 양태를 가질 수 있다. 일부 예에서, 생의학 디바이스용 배터리는 전형적인 사용 시나리오에 대한 것 이외의 요건을 충족시킬 필요가 있을 수 있다. 일부 예에서, 설계 양태는 스트레싱 이벤트들과 관련하여 고려될 수 있다. 예를 들어, 전자 콘택트 렌즈의 안전성은 사용자가 삽입 또는 제거 중에 렌즈를 파손하는 이벤트에서 고려될 필요가 있을 수 있다. 다른 예에서, 설계 양태는 사용자 눈에 이물질이 부딪힐 가능성을 고려할 수 있다. 설계 파라미터 및 제약조건을 개선할 때 고려될 수 있는 스트레스성 조건의 또 다른 예는 비제한적 예에서 높은 고도의 환경 또는 물 밑의 환경과 같은 험한 환경에서 사용자가 렌즈를 착용할 가능성과 관련될 수 있다.
그러한 디바이스의 안전성은, 디바이스가 형성되는 재료에 의해, 디바이스를 제조할 때 사용된 그러한 재료들의 양에 의해, 그리고 또한 주변 온-바디 또는 인-바디 환경으로부터 디바이스들을 분리시키기 위해 적용되는 패키징에 의해 영향을 받을 수 있다. 일례에서, 심장 박동 조절기는, 배터리를 포함할 수 있고 오랜 기간 동안 사용자에게 이식될 수 있는 전형적인 유형의 생의학 디바이스일 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 이러한 심장 박동 조절기는 전형적으로 용접된 밀폐형 티타늄 인클로저(enclosure) 또는 다른 예에서는 다중 층의 봉지부로 패키징될 수 있다. 최근의 전력공급형 생의학 디바이스는 패키징, 특히 배터리 패키징에 새로운 과제를 제시할 수 있다. 이러한 새로운 디바이스는 기존의 생의학 디바이스보다 더욱 더 작을 수 있는데, 예를 들어, 전자 콘택트 렌즈 또는 정제 카메라가 심장 박동 조절기보다 훨씬 작을 수 있다. 그러한 예에서, 패키징을 위해 이용가능한 체적 및 면적은 크게 감소될 수 있다.
마이크로배터리의 전기적 요건
설계 고려사항에 대한 다른 영역은, 배터리에 의해 제공될 수 있는, 디바이스의 전기적 요건에 관련될 수 있다. 의료 디바이스를 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 생의학 디바이스의 신생 분야는, 예를 들어, 시력 교정 콘택트 렌즈, 건강 모니터링 디바이스, 정제 카메라(pill camera), 및 신규 디바이스를 포함할 수 있다. 집적 회로(IC) 기술의 최근의 발전은 매우 낮은 전류 수준, 예를 들어, 피코암페어의 대기 전류 및 마이크로암페어의 작동 전류에서의 유의미한 전기적 작동을 허용할 수 있다. 집적 회로는 또한 매우 작은 디바이스를 허용할 수 있다.
생의학 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 디바이스로의 출력 전압, 및 원하는 디바이스 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 등급매겨진 인버터 및 플립-플롭(flip-flop)을 공급할 수 있다. 설계자는 디지털 디바이스의 밀도, 아날로그/디지털 혼합 신호 디바이스, 누설 전류, 배선 층, 및 고전압 FET와 같은 특수 디바이스의 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 매칭되는 것이 중요할 수 있다.
일부 예에서, 마이크로배터리에 의해 전력공급되는 전기 회로가 다른 디바이스에 연결될 수 있다. 비제한적인 예에서, 마이크로배터리-전력공급형 전기 회로는 액추에이터 또는 트랜스듀서에 연결될 수 있다. 응용에 따라, 이들은 발광 다이오드(LED), 센서, 미세전기기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 펌프, 또는 다수의 다른 그러한 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 그러한 연결된 디바이스는 공통 IC 공정 노드보다 더 높은 동작 전압 조건을 요구할 수 있다. 예를 들어, 가변 초점 렌즈는 활성화되기 위해 35 V를 요구할 수 있다. 따라서, 그러한 시스템을 설계할 때 배터리에 의해 제공되는 동작 전압이 중요한 고려사항일 수 있다. 이러한 유형의 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 전압, 부하 전압, 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 아래에서는 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 일정 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 디바이스 내의 반응물들의 질량(및 이에 따라 체적)을 증가시킴으로써 증가될 수 있지만; 생의학 디바이스들은 이용가능 체적에 대해 상당히 제약될 수 있다는 것이 이해될 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 디바이스의 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 생의학 디바이스에 특히 중요할 수 있다. 전자 디바이스가, 예를 들어 전자 콘택트 렌즈의 도입의 경우에 그러할 수 있는 바와 같이 비-전력공급형 디바이스를 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 디바이스의 유통, 재고, 및 사용 방법에 의해 설정될 수 있다. 따라서, 생의학 디바이스용의 마이크로배터리는 예를 들어 연수로 측정될 수 있는 특정 보존 수명 요건을 가질 수 있다.
일부 예에서, 3차원 생체적합성 동력공급 요소들은 재충전가능할 수 있다. 예를 들어, 유도 코일이 또한 3차원 표면 상에 제조될 수 있다. 이어서, 유도 코일은 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 시스템에 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 생의학 마이크로배터리에 대해 점점 더 힘들어질 수 있다. 일부 예에서, 전력공급형 생의학 디바이스는 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 솔더 상호연결부를 사용하고자 하는 요망과 직접적으로 경합할 수 있다. 일부 예에서이긴 하지만, 전해질을 비롯한 배터리 화학물질, 및 솔더 기반 상호연결부를 형성하는 데 사용되는 열원은 서로 공간적으로 격리될 수 있다. 신생 생의학 디바이스의 경우에, 작은 크기는 열 전도를 감소시키기에 충분한 거리만큼의 전해질과 솔더 접합부의 분리를 막을 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 밀봉부와 교차할 수 있다. 이들 상호연결부는 외부 회로에 연결되고, 배터리 밀봉부를 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 보드와는 별도의 물리적 요소인 예에서, 배터리 상호연결부는 외부 회로에 대한 연결을 허용할 수 있다. 이러한 연결은 솔더, 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 밀봉부를 통과함에 따라, 상호연결부가 밀봉부와 공존하고 밀봉을 허용하는 것이 매우 중요할 수 있다. 밀봉부와 배터리 패키지 사이에 요구될 수 있는 접착에 더하여 밀봉부와 상호연결부 사이에 접착이 요구될 수 있다. 배터리 내부에 전해질과 다른 재료가 존재할 때 밀봉부 완전성이 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 밀봉부 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, 전극들의 화학 재료들 사이에 일어나는 화학 반응을 용이하게 하는 배터리의 구성요소이다. 전형적인 전해질들은 전극들에 대해 전기화학적으로 활성이어서, 예를 들어, 산화 및 환원 반응들이 발생하게 할 수 있다. 일부 예에서, 이러한 중요한 전기화학적 활성은 생체적합성인 디바이스들을 생성하는 데 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 수산화칼륨(KOH)은 알칼리 전지들에서 흔히 사용되는 전해질일 수 있다. 높은 농도에서, 이 재료는 높은 pH를 갖고, 다양한 살아 있는 조직들과 불리하게 상호작용할 수 있다. 반면에, 일부 예에서, 전기화학적으로 덜 활성일 수 있는 전해질들이 채용될 수 있지만, 이러한 재료들은 전형적으로 감소된 전기적 성능, 예컨대 감소된 전지 전압 및 증가된 전지 저항을 야기할 수 있다. 따라서, 생의학 마이크로배터리의 설계 및 엔지니어링의 하나의 주요한 양태가 전해질일 수 있다. 전해질은 전기적 요건들을 충족시키기에 충분히 활성이면서 또한 인-바디 또는 온-바디 사용에 비교적 안전한 것이 바람직할 수 있다.
살아 있는 세포들에 대한 배터리 구성요소들, 특히 전해질들의 안전성을 결정하기 위해 다양한 시험 시나리오들이 사용될 수 있다. 이러한 결과들은, 배터리 패키징의 시험들과 함께, 요건들을 충족시킬 수 있는 배터리 시스템의 엔지니어링 설계를 허용할 수 있다. 예를 들어, 전력공급형 콘택트 렌즈를 개발할 때, 배터리 전해질들은
사람의 각막 세포 모델 상에서 시험될 수 있다. 이러한 시험들은 전해질 농도, 노출 시간, 및 첨가제들에 대한 실험들을 포함할 수 있다. 그러한 시험들의 결과들은 세포 대사 및 다른 생리학적 양태들을 나타낼 수 있다. 시험들은 또한 동물들 및 사람들에 대한 생체내(in-vivo) 시험을 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용하기 위한 전해질들은 염화아연, 아연 아세테이트, 암모늄 아세테이트, 및 염화암모늄을 대략 0.1% 내지 50%의 질량 농도로 포함할 수 있고, 비제한적인 예에서 대략 25%일 수 있다. 특정 농도들은 전기화학적 활성, 배터리 성능, 보존 수명, 밀봉부 완전성, 및 생체적합성에 의존할 수 있다.
일부 예에서, 여러 부류의 첨가제들이 배터리 시스템의 조성물에서 이용될 수 있다. 첨가제들은 전해질 베이스 내로 혼합되어 그의 특성들을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 한천(agar)과 같은 겔화제들은 패키징 밖으로 누출되는 전해질의 능력을 감소시켜, 이에 의해 안전성을 증가시킬 수 있다. 부식 억제제들이 전해질에 첨가되어서, 예를 들어, 전해질 내에서의 아연 애노드의 원치않는 용해를 감소시킴으로써 보존 수명을 개선할 수 있다. 이러한 억제제들은 배터리의 안전 프로파일에 긍정적으로 또는 불리하게 영향을 미칠 수 있다. 습윤제들 또는 계면활성제들이 첨가되어서, 예를 들어, 전해질이 세퍼레이터를 습윤화하거나 또는 배터리 패키지 내에 충전되게 할 수 있다. 또한, 이러한 습윤제들은 안전을 위해 긍정적이거나 부정적일 수 있다. 전해질에 대한 계면활성제의 첨가는 전지의 전기 임피던스를 증가시킬 수 있다. 따라서, 원하는 습윤화 또는 다른 특성들을 달성하기 위한 계면활성제의 최저 농도가 사용되어야 한다. 예시적인 계면활성제들은 트리톤(Triton)™ X-100, 트리톤™ QS44, 및 다우팩스(Dowfax)™ 3B2를 0.01% 내지 2%의 농도로 포함할 수 있다.
생의학 마이크로배터리들의 안전 프로파일을 크게 개선할 수 있는 신규한 전해질들이 또한 최근에 생겨나고 있다. 예를 들어, 고체 전해질들의 부류는 본질적으로 누설에 대한 내성이 있으면서 적합한 전기적 성능을 여전히 제공할 수 있다.
"염수" 전해질을 사용하는 배터리들은 해양 사용을 위한 예비 전지(reserve cell)들에 흔히 사용된다. 어뢰, 부표, 및 비상등은 그러한 배터리들을 사용할 수 있다. 예비 전지들은, 활성 재료들, 전극들 및 전해질이 사용 시까지 분리되어 있는 배터리들이다. 이러한 분리 때문에, 전지들의 자체 방전이 크게 감소되고, 보존 수명이 크게 증가된다. 염수 배터리들은 아연, 마그네슘, 알루미늄, 구리, 주석, 이산화망간, 및 산화은을 비롯한, 다양한 전극 재료들로부터 설계될 수 있다. 전해질은 실제 해수, 예를 들어, 접촉시 배터리를 침수시키는 바다로부터의 물일 수 있거나, 또는 특별히 엔지니어링된 식염수 제형일 수 있다. 이러한 유형의 배터리는 콘택트 렌즈들에서 특히 유용할 수 있다. 식염수 전해질은, 수산화칼륨 및 염화아연과 같은 고전적인 전해질들보다 우수한 생체적합성을 가질 수 있다. 콘택트 렌즈들은, 전형적으로 염화나트륨과, 아마도 다른 염들 및 완충제(buffering agent)들의 혼합물인 "패킹 용액" 내에 보관된다. 이 용액은, 아연 애노드 및 이산화망간 캐소드와 조합하여 배터리 전해질로서 증명되었다. 다른 전해질과 전극 조합들이 가능하다. "염수" 배터리를 사용하는 콘택트 렌즈는 염화나트륨, 패킹 용액, 또는 심지어 누액(tear fluid)과 유사한 특별히 엔지니어링된 전해질에 기초한 전해질을 포함할 수 있다. 그러한 배터리는, 예를 들어, 패킹 용액에 의해 활성화되고, 눈에 대한 개방을 유지하고, 사람의 누액에 대한 노출로 계속하여 작동할 수 있다.
누액과 더 유사한 전해질을 사용하거나, 또는 실제로 누액을 사용함으로써 생체적합성에 대한 가능한 이점에 더하여 또는 그 대신에, 콘택트 렌즈 제품의 보존 수명 요건들을 충족시키기 위해 예비 전지가 사용될 수 있다. 전형적인 콘택트 렌즈들은 3년 이상의 보관에 대해 특정된다. 이것은 작고 얇은 패키지를 갖는 배터리에 대한 어려운 요건이다. 콘택트 렌즈에서 사용하기 위한 예비 전지는 도 1 및 도 3에 도시된 것들과 유사한 설계를 가질 수 있지만, 전해질은 제조 시에 추가되지 않을 수 있다. 전해질은 콘택트 렌즈 내의 앰풀(ampule) 내에 보관되고 배터리에 연결될 수 있거나, 또는 배터리를 둘러싸는 식염수가 전해질로서 사용될 수 있다. 콘택트 렌즈 및 배터리 패키지 내에서, 사용자가 렌즈를 활성화시킬 때까지 전해질을 전극들로부터 분리시키기 위해 밸브 또는 포트가 설계될 수 있다. 활성화 시에, 아마도, 콘택트 렌즈의 에지를 간단히 집음으로써(글로우 스틱(glow stick)을 활성화시키는 것과 유사함), 전해질은 배터리 내로 흘러들어가고 전극들 사이의 이온 경로를 형성하도록 허용될 수 있다. 이것은 전해질의 일회성 전달을 수반할 수 있거나 또는 지속적인 확산을 위해 배터리를 노출시킬 수 있다.
일부 배터리 시스템들은 화학 반응 동안 전해질을 사용하거나 소비할 수 있다. 따라서, 패키징된 시스템 내로 소정 체적의 전해질을 엔지니어링할 필요가 있을 수 있다. 이 전해질은, 세퍼레이터 또는 저장소를 비롯한 다양한 위치들에 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 재료들 및 그 재료들의 양을 설계하여, 이들 중 하나가 배터리 시스템에서의 반응 과정 동안 먼저 고갈될 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 예에서, 애노드, 캐소드, 또는 전해질 중 하나의 고갈은, 문제가 되는 방전 및 부반응들이 더 낮은 방전 전압들에서 일어나지 않을 가능성을 감소시킬 수 있다. 이러한 문제가 되는 반응들은, 예를 들어, 안전성 및 다른 인자들에 유해할 수 있는 과도한 가스 또는 부산물들을 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 생의학 디바이스의 다른 부품과는 별개의 구성요소일 수 있다. 안과용 콘택트 렌즈 디바이스의 예에서, 그러한 설계는 매체 삽입체의 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, 생의학 디바이스 내의 다른 구성요소의 제조에 대해 보다 병렬 모드로 작동할 수 있다. 또한, 모듈형 배터리 구성요소의 제조는 3차원(3D) 형상의 디바이스의 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 생의학 디바이스의 나머지와 관계 없이 시험될 수 있고, 배터리 구성요소로 인한 수율 손실이 조립 전에 분류될 수 있다. 생성된 모듈형 배터리 구성요소는 배터리 구성요소들이 형성될 수 있는 적절한 강성 영역을 갖지 않는 다양한 매체 삽입체 구조물들에서 이용될 수 있고; 다른 추가 예에서, 모듈형 배터리 구성요소들의 사용은 달리 이용될 수 있는 제조 기술들, 예컨대, 웹 기반 기술(롤 투 롤(roll to roll)), 시트 기반 기술(시트-투-시트), 인쇄, 리소그래피, 및 "스퀴지(squeegee)" 처리에 대한 상이한 옵션들의 사용을 가능하게 할 수 있다. 모듈형 배터리의 일부 예에서, 그러한 디바이스의 개별 격납 양태는 추가의 재료가 전체 생의학 디바이스 구조물에 추가되는 결과를 가져올 수 있다. 그러한 효과는 이용가능 공간 파라미터가 최소화된 용액 두께 또는 체적을 요구할 때 모듈형 배터리 용액의 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 유형의 배터리 폼 팩터에서, 저 전력, 가요성 배터리가 배터리 화학물질을 수용하기 위해 얇은 포일 또는 플라스틱을 사용하여 파우치(pouch) 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 mm 정도일 수 있다. 그러한 곡률의 특성은 비교적 가파른 것으로 간주될 수 있고, 참고로, 사람 손가락 끝에서 발견되는 곡률의 유형에 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
생의학 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 디바이스의 능력은 생의학 디바이스에 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, 수분/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 디바이스의 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 디바이스 두께 사양뿐만 아니라 그것의 폭, 원추각, 및 내경에 관한 디바이스 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 생의학 디바이스의 전기적 요건을 위해 균형화될 수 있다.
배터리 모듈 가요성
배터리 설계와 배터리 기반 에너지 공급원을 이용하는 관련 디바이스의 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 생의학 디바이스 내로 끼워맞춤되기에 적절한 3D 형상으로 형성되도록 허용할 수 있다.
배터리 모듈의 가요성에 의해 부여될 수 있는 이득의 다른 예에서, 배터리와 후속 디바이스가 가요성이면, 디바이스의 사용에 관한 이점이 있을 수 있다. 예에서, 생의학 디바이스의 콘택트 렌즈 형태가 표준, 비-충전식 하이드로겔 콘택트 렌즈의 삽입/제거에 보다 가까울 수 있는 매체 삽입체 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. 디바이스가 배터리 구성요소에 의해 전력공급되는 가변 광학 기능을 갖는 안과용 디바이스의 일부 예에서, 디바이스의 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 삽입체의 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 활성 배터리 구성요소와 밀봉부 폭에 의해 주도될 수 있다. 안과용 디바이스에 관한 일부 예에서, 목표 두께는 면당 0.100 mm 내지 0.500 mm일 수 있고, 활성 배터리 구성요소는 대략 0.800 mm 폭으로 목표화될 수 있다. 다른 생의학 디바이스는 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 활성 배터리 화학물질의 영역들을 세그먼트화하는 방식으로 설계될 수 있다. 활성 배터리 구성요소들의 개별 세그먼트들로의 분할로부터 많은 이점이 있을 수 있다. 비제한적인 예에서, 개별적이고 더 작은 요소들의 제조는 요소들의 생산을 용이하게 할 수 있다. 다수의 더 작은 요소들을 포함하는 배터리 요소들의 기능은 향상될 수 있다. 다양한 종류의 결함들이 세그먼트화될 수 있으며, 비-기능적 요소들이 기능의 감소된 손실을 야기하도록 일부 경우에는 격리될 수 있다. 이는 배터리 전해질의 손실이 발생할 수 있는 예에서 적절할 수 있다. 개별 구성요소의 격리는 배터리의 임계 영역 외부로의 전해질의 누출을 야기하는 결함을 허용하여 기능의 손실을 전체 배터리 요소의 그러한 작은 세그먼트로 제한할 수 있는 반면, 결함을 통한 전해질 손실은 단일 전지로서 구성된 배터리의 경우 상당히 더 큰 영역을 비울 수 있다. 더 작은 전지가 전체적인 관점에서 활성 배터리 화학물질의 감소된 체적을 야기할 수 있지만, 더 작은 전지의 각각을 둘러싸는 재료의 메시는 전체 구조의 강화를 야기할 수 있다.
배터리 요소 내부 밀봉부
생의학 디바이스에서 사용하기 위한 배터리 요소의 일부 예에서, 배터리의 화학적 작용은, 물 또는 수분이 제어할 중요한 구성요소인 수성 화학물질을 수반한다. 따라서, 배터리 바디 내외로의 수분의 이동을 지연시키거나 방지하는 밀봉 메커니즘을 포함하는 것이 중요할 수 있다. 수분 배리어(moisture barrier)가 내부 수분 수준을 어떤 허용오차 내에서 계획된 수준으로 유지시키도록 설계될 수 있다. 일부 예에서, 수분 배리어는 2개의 섹션 또는 구성요소; 즉, 패키지와 밀봉부로 분할될 수 있다.
패키지는 인클로저의 주된 재료를 지칭할 수 있다. 일부 예에서, 패키지는 벌크 재료를 포함할 수 있다. 수증기 전달율(Water Vapor Transmission Rate, WVTR)은 시험 동안 작용하는 환경 조건을 비롯한, 시험 절차를 제어하는 ISO, ASTM 표준들에 의한, 성능의 표시자일 수 있다. 이상적으로, 우수한 배터리 패키지에 대한 WVTR은 "0"일 수 있다. 0에 근접한(near-zero) WVTR을 갖는 예시적인 재료는 유리 및 금속 포일일 수 있다. 반면에, 플라스틱은 내재적으로 수분 투과성일 수 있고, 여러 유형들의 플라스틱에 대해 상당히 변할 수 있다. 엔지니어링된 재료, 라미네이트, 또는 공압출물이 보통 흔한 패키지 재료의 하이브리드일 수 있다.
밀봉부는 2개의 패키지 표면들 사이의 계면일 수 있다. 밀봉부 표면들의 연결은 패키지와 함께 인클로저를 마감한다. 많은 예에서, 밀봉부 설계의 특성은 ISO 또는 ASTM 표준을 사용하여 측정을 수행하는 데 있어서의 어려움으로 인해 그것들을 밀봉부의 WVTR에 대해 특성화하기 어렵게 만들 수 있는데, 그 이유는 샘플 크기 또는 표면적이 그들 절차와 적합하지 않을 수 있기 때문이다. 일부 예에서, 밀봉부 완전성을 시험하기 위한 실용적인 방식은 일부 한정된 조건에 대해 실제 밀봉부 설계의 기능적 시험일 수 있다. 밀봉부 성능은 밀봉부 재료, 밀봉부 두께, 밀봉부 길이, 밀봉부 폭, 및 패키지 기판에 대한 밀봉부 접착력 또는 밀착성(intimacy)의 함수일 수 있다.
일부 예에서, 밀봉부는 열, 레이저, 용매, 마찰, 초음파, 또는 아크 처리를 수반할 수 있는 용접 공정에 의해 형성될 수 있다. 다른 예에서, 밀봉부는 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 유형 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 수분 투과성의 실제 양을 결정한 다음에 그러한 수분 누출이 배터리에 대한 수명 조건의 종료를 가져올 수 있는 때를 추정함으로써 추정될 수 있다. 예를 들어, 배터리가 습식 환경에서 보관되는 경우, 배터리의 내부와 외부 사이의 부분 압력 차이가 최소로 되어, 감소된 수분 손실률을 야기할 것이고, 이에 따라 배터리 수명이 연장될 수 있다. 특히 건조하고 고온인 환경에서 보관된 동일한 예시적인 배터리는 수분 손실에 대한 강한 구동 기능으로 인해 상당히 감소된 기대 수명을 가질 수 있다.
배터리 요소 세퍼레이터
본 발명에 기술된 유형의 배터리들은, 캐소드 및 캐소드 전류 콜렉터 부분들로부터 애노드 및 애노드 전류 콜렉터 부분들을 물리적으로 그리고 전기적으로 분리시키는 세퍼레이터 재료를 이용할 수 있다. 세퍼레이터는 물 및 용해된 전해질 성분들에 대해 투과성인 막일 수 있지만; 그것은 전형적으로 전기적 비전도성일 수 있다. 많은 구매 가능한 세퍼레이터 재료들이 당업자들에게 알려져 있을 수 있지만, 본 발명의 신규 폼 팩터는 세퍼레이터 선택, 처리, 및 취급의 태스크에 대한 고유의 제약조건을 제시할 수 있다.
본 발명의 설계들이 초박형 프로파일들을 가질 수 있기 때문에, 선택은 전형적으로 이용가능한 가장 얇은 세퍼레이터 재료들로 제한될 수 있다. 예를 들어, 두께가 대략 25 마이크로미터인 세퍼레이터들이 바람직할 수 있다. 유리할 수 있는 일부 예들은 두께가 약 12 마이크로미터일 수 있다. 마이크로피브릴화된(microfibrillated) 미세다공성 폴리에틸렌 단층 및/또는 폴리프로필렌-폴리에틸렌-폴리프로필렌(PP/PE/PP) 3층 세퍼레이터 막, 예컨대 셀가드(Celgard)(미국 노스캐롤라이나주 샬럿 소재)에 의해 제조된 것들을 포함하는 많은 허용가능한 시판 세퍼레이터들이 있을 수 있다. 세퍼레이터 재료의 바람직한 예는, 12 마이크로미터의 두께를 갖는 셀가드 M824 PP/PE/PP 3층 막일 수 있다. 본 발명의 예들에 대해 유용한 세퍼레이터 재료들의 대안적인 예들은, 재생 셀룰로스(예컨대, 셀로판)를 포함하는 세퍼레이터 막들을 포함할 수 있다.
PP/PE/PP 3층 세퍼레이터 막들이 그들의 폴리올레핀 특성으로 인해 유리한 두께 및 기계적 특성들을 가질 수 있지만, 그들은 또한, 그들이 본 발명의 예들에서 유용하게 하기 위해 극복될 필요가 있을 수 있는 다수의 단점들을 겪을 수 있다. PP/PE/PP 3층 세퍼레이터 재료들의 롤 또는 시트 스톡은, 본 명세서에 기술된 배터리들에 적용가능한 마이크로미터 수준의 허용오차에 유해할 수 있는 많은 주름들 또는 다른 형태 오차들을 가질 수 있다. 또한, 폴리올레핀 세퍼레이터들은 본 설계들에서의 포함을 위한 초정밀한 허용오차로 절단될 필요가 있을 수 있는데, 이것은 이에 따라 엄밀한 허용오차들을 갖는 바람직한 형상들로 별개의 전류 콜렉터들을 형성하는 예시적인 방법으로서 레이저 절단을 연루시킬 수 있다. 이러한 세퍼레이터들의 폴리올레핀 특성으로 인해, 마이크로 제조에 유용한 소정의 절단 레이저들이 예컨대 355 nm의 레이저 파장을 채용할 수 있는데, 이는 폴리올레핀을 절단하지 않을 것이다. 폴리올레핀은 레이저 에너지를 인지가능하게 흡수하지 않고, 이에 의해 어블레이팅가능하지 않다(non-ablatable). 마지막으로, 폴리올레핀 세퍼레이터들은 본 명세서에 기술된 배터리들에 사용되는 수성 전해질들에 대해 고유하게 습윤성이 아닐 수 있다.
그럼에도 불구하고, 폴리올레핀 유형 막들에 대한 이러한 고유한 제한을 극복하기 위한 방법들이 있을 수 있다. 피스들을 아크 세그먼트들로 절단하기 위한 고정밀 절단 레이저 또는 다른 유리한 세퍼레이터 설계들에 미세다공성 세퍼레이터 막을 제공하기 위해, 막은 평평하고 주름이 없어야 할 필요가 있을 수 있다. 이러한 2개의 조건들이 충족되지 않는 경우, 세퍼레이터 막은 완전히 절단되지 않을 수 있는데, 이는 절단 빔이 입사 레이저 에너지의 초점 이탈 또는 그를 달리 산란시키는 결과로서 억제될 수 있기 때문이다. 추가적으로, 세퍼레이터 막이 평평하고 주름이 없지 않은 경우, 세퍼레이터 막의 형태 정확성 및 기하학적 허용오차들은 충분히 달성되지 못할 수 있다. 현재 예들의 세퍼레이터들에 대한 허용가능한 허용오차들은, 예를 들어 특성 길이들 및/또는 반경들에 관하여 +0 마이크로미터 및 -20 마이크로미터일 수 있다. +0 마이크로미터 및 -10 마이크로미터의 더 엄밀한 허용오차들, 및 추가로 +0 마이크로미터 및 -5 마이크로미터의 허용오차들에 대한 이점이 있을 수 있다. 세퍼레이터 스톡 재료는, 적절한 저-휘발성 액체를 갖는 플로트 유리(float glass) 담체에 재료를 일시적으로 라미네이팅함으로써 평평하게 주름 없이 제조될 수 있다. 저-휘발성 액체는, 세퍼레이터 막의 취약성으로 인해 그리고 세퍼레이터 막을 접착제 층으로부터 이형시키는 데 요구될 수 있는 처리 시간의 양으로 인해 일시적인 접착제보다 이점을 가질 수 있다. 또한, 일부 예에서, 액체를 사용하여 플로트 유리 상의 평평하고 주름이 없는 세퍼레이터 막을 달성하는 것이, 접착제를 사용하는 것보다 훨씬 더 용이하다고 관찰되었다. 라미네이션 이전에, 세퍼레이터 막은 미립자가 없을 수 있다. 이것은 임의의 표면-접착성 미립자를 제거하기 위한 세퍼레이터 막의 초음파 세정에 의해 달성될 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터 막의 취급은 적어도 클래스 10,000의 클린 룸 또는 층류 후드(laminar flow hood)와 같은 적합한 저-입자 환경에서 수행될 수 있다. 또한, 플로트 유리 기판은 적절한 용매로 헹굼, 초음파 세정, 및/또는 클린 룸 와이프로 닦음으로써 미립자가 없게 될 수 있다.
플로트 유리 담체에 미세다공성 폴리올레핀 세퍼레이터 막을 라미네이팅하는 기계적 목적을 위해 매우 다양한 저-휘발성 액체가 사용될 수 있지만, 별개의 세퍼레이터 형상의 후속 레이저 절단을 용이하게 하기 위해 특정 요건이 액체에 부과될 수 있다. 하나의 요건은, 액체가, 시각적 검사에 의해 쉽게 검증될 수 있는 세퍼레이터 재료의 기공들 내에 침지할 정도로 충분히 낮은 표면 장력을 갖는 것일 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터 재료는 액체가 재료의 미세기공들을 충전할 때 백색으로부터 반투명한 외관으로 변한다. 세퍼레이터의 제조 및 절단 작업들에 노출되는 작업자들에게 "안전"하고 양성일 수 있는 액체를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 처리의 시간 척도 동안(대략 1일) 인지가능한 증발이 일어나지 않도록 증기압이 충분히 낮을 수 있는 액체를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 마지막으로, 일부 예에서, 액체는 레이저 절단 작업을 용이하게 할 수 있는 유리한 UV 흡수제를 용해시키기에 충분한 용매화력(solvating power)을 가질 수 있다. 일례에서, 벤질 벤조에이트 용매 중의 아보벤존(avobenzone) UV 흡수제의 12%(w/w) 용액이 전술한 요건들을 충족할 수 있고, 절단 레이저 빔의 과도한 수의 패스 없이 재빨리 고정밀도 및 허용오차로 폴리올레핀 세퍼레이터들의 레이저 절단을 용이하게 하는 것에 적합할 수 있다는 것이 관찰되었다. 일부 예에서, 세퍼레이터들은 이러한 접근법을 이용하여 8W 355 nm 나노초 다이오드-펌핑 고체 상태 레이저(diode-pumped solid state laser)로 절단될 수 있는데, 여기서 레이저는 저전력 감쇠(예컨대, 3% 전력), 1 내지 10 mm/s의 적당한 속도, 및 레이저 빔의 단지 1 내지 3 패스에 대한 설정값들을 가질 수 있다. 이러한 UV-흡수 유성 조성물이 효과적인 라미네이팅 및 절단 공정 보조제인 것으로 입증되었지만, 다른 유성 제형들이 당업자들에 의해 구상되고 제한 없이 사용될 수 있다.
일부 예에서, 세퍼레이터가 플로트 유리에 고정된 상태에서 절단될 수 있다. 플로트 유리 담체에 고정된 상태에서 세퍼레이터들을 레이저 절단하는 것의 하나의 이점은, 반도체 다이가 규소 웨이퍼 상에 조밀하게 배열될 수 있는 것처럼 매우 높은 수밀도의 세퍼레이터들이 하나의 세퍼레이터 스톡 시트로부터 절단될 수 있다는 점일 수 있다. 그러한 접근법은 반도체 공정들에서 고유한 병렬 처리 이점들 및 규모의 경제를 제공할 수 있다. 또한, 스크랩 세퍼레이터 막의 생성이 최소화될 수 있다. 일단 세퍼레이터들이 절단되면, 유성 공정 보조 유체는 혼화성 용매들을 이용한 일련의 추출 단계들에 의해 제거될 수 있고, 마지막 추출은 일부 예에서 아이소프로필 알코올과 같은 고-휘발성 용매를 이용하여 수행될 수 있다. 별개의 세퍼레이터들은, 일단 추출되면, 임의의 적합한 저-입자 환경에서 무기한 보관될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, 폴리올레핀 세퍼레이터 막들은 본질적으로 소수성일 수 있고, 본 발명의 배터리들에 사용되는 수성 계면활성제들에 대해 습윤성으로 만들 필요가 있을 수 있다. 세퍼레이터 막들을 습윤성으로 만들기 위한 하나의 접근법은 산소 플라즈마 처리일 수 있다. 예를 들어, 세퍼레이터들은 매우 다양한 전력 설정값들 및 산소 유량들에서 100% 산소 플라즈마에서 1 내지 5분 동안 처리될 수 있다. 이러한 접근법이 잠깐 동안 습윤성을 개선할 수 있지만, 플라즈마 표면 개질들이 전해질 용액들의 강건한 습윤화를 위해 충분히 길게 지속할 수 없는 일시적인 효과를 제공한다는 것이 잘 알려져 있을 수 있다. 세퍼레이터 막들의 습윤성을 개선하기 위한 다른 접근법은 적합한 계면활성제를 막 상에 혼입함으로써 표면을 처리하는 것일 수 있다. 일부 경우에, 계면활성제는 세퍼레이터 막의 기공들 내에 남아 있는 친수성 중합체 코팅과 함께 사용될 수 있다.
산화성 플라즈마 처리에 의해 부여되는 친수성에 더 많은 영구성을 제공하기 위한 다른 접근법은, 적합한 친수성 유기실란을 이용한 후속 처리에 의한 것일 수 있다. 이러한 방식에서, 산소 플라즈마는 미세다공성 세퍼레이터의 전체 표면적을 가로질러 작용기들을 활성화 및 부여하는 데 사용될 수 있다. 이어서, 유기실란은 플라즈마 처리된 표면에 공유 결합되고/되거나 비공유 접착될 수 있다. 유기실란을 사용하는 예에서, 미세다공성 세퍼레이터의 고유한 다공성은 인지가능하게 변화되지 않을 수 있고, 단층 표면 커버리지가 또한 가능하고 요구될 수 있다. 중합체 코팅들과 함께 계면활성제들을 혼입하는 종래 기술의 방법은, 막에 적용되는 실제 코팅량에 대한 엄격한 제어들을 요구할 수 있고, 이어서 공정 가변성을 겪을 수 있다. 극단적인 경우에, 세퍼레이터의 기공들은 차단되게 되고, 이에 의해 전기화학 전지의 작동 동안 세퍼레이터의 유용성에 악영향을 미칠 수 있다. 본 발명에 유용한 예시적인 유기실란은 (3-아미노프로필)트라이에톡시실란일 수 있다. 다른 친수성 유기실란이 당업자들에게 알려져 있을 수 있고 제한 없이 사용될 수 있다.
세퍼레이터 막들을 수성 전해질에 의해 습윤성으로 만들기 위한 또 다른 방법은, 전해질 제형 내로의 적합한 계면활성제의 혼입일 수 있다. 세퍼레이터 막들을 습윤성으로 만들기 위한 계면활성제의 선택에서의 하나의 고려사항은, 예를 들어 전지의 전기 임피던스를 증가시킴으로써, 계면활성제가 전기화학 전지 내의 하나 이상의 전극들의 활성에 미칠 수 있는 영향일 수 있다. 일부 경우에, 계면활성제들은, 구체적으로 수성 전해질들 중의 아연 애노드들의 경우에 유리한 방식(anti-corrosion) 특성들을 가질 수 있다. 아연은 물과 느리게 반응하여 수소 가스를 유리시키는 것으로 알려진 일례일 수 있는데, 이는 바람직하지 않을 수 있다. 상기 반응의 속도를 유리한 수준으로 제한하기 위한 많은 계면활성제들이 당업자들에게 알려져 있을 수 있다. 다른 경우에, 계면활성제는 아연 전극 표면과 너무 강하게 상호작용할 수 있어, 배터리 성능이 저해되게 할 수 있다. 결과적으로, 전지의 전기화학 성능에 유해하게 영향을 미치지 않으면서 세퍼레이터 습윤성이 얻어질 수 있도록 보장하기 위해 적절한 계면활성제 유형 및 부하 수준의 선택에 많은 주의가 필요할 수 있다. 일부 경우에, 복수의 계면활성제들이 사용될 수 있는데, 하나는 세퍼레이터 막에 습윤성을 부여하기 위해 존재하고, 다른 하나는 아연 애노드에 대한 방식 특성을 용이하게 하기 위해 존재한다. 일례에서, 친수성 처리가 세퍼레이터 막에 수행되지 않고, 계면활성제 또는 복수의 계면활성제들이 세퍼레이터 막의 습윤성을 달성하기에 충분한 양으로 전해질 제형에 첨가된다.
별개의 세퍼레이터들이, 조립체 내의 설계된 공동, 포켓, 또는 구조물을 포함하는 저장을 위한 수단 내에 직접 배치함으로써 층상 마이크로배터리에 통합될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 저장 수단은 세퍼레이터 형상의 기하학적 오프셋일 수 있는 컷아웃(cutout)을 갖는 층상 구조물에 의해 형성되어, 조립체 내의 공동, 포켓, 또는 구조물을 생성할 수 있다. 또한, 저장 수단은 세퍼레이터가 조립 동안 그 위에 놓이는 레지(ledge) 또는 단차부를 가질 수 있다. 레지 또는 단차부는 선택적으로, 별개의 세퍼레이터를 유지하는 감압 접착제를 포함할 수 있다. 유리하게는, 감압 접착제는, 예시적인 층상 마이크로배터리의 다른 요소들의 적층 및 구성에서 사용된 것과 동일한 것일 수 있다.
감압 접착제
일부 예에서, 본 발명의 층상 마이크로배터리를 구성하는 복수의 구성요소는 밀봉제로서도 또한 역할을 하는 감압 접착제(PSA)에 의해 함께 유지될 수 있다. 무수히 많은 구매가능한 감압 접착제 제형이 존재할 수 있지만, 이러한 제형은 거의 항상 이를 생체적합성 층상 마이크로배터리 내에서 사용하기에 적합하지 않게 할 수 있는 성분들을 포함할 수 있다. 감압 접착제에서 바람직하지 않은 성분의 예는 저 분자량 침출성 성분, 산화방지제, 예컨대 BHT 및/또는 MEHQ, 가소화 오일, 불순물, 예를 들어 불포화 화학 결합물, 잔류 용매 및/또는 단량체를 함유하는 산화 불안정성 모이어티(moiety), 중합 개시제 단편, 극성 점착부여제(tackifier) 등을 포함할 수 있다.
다른 한편으로, 적합한 PSA들은 하기 특성을 보일 수 있다. 이들은 2 내지 20 마이크로미터 정도의 얇은 층을 달성하도록 층상 구성요소에 적용될 수 있다. 또한, 이들은 바람직하지 않은 또는 비생체적합성인 구성요소를 최소로 포함하고, 예를 들어 전혀 포함하지 않을 수 있다. 더욱이, 이들은 층상 배터리의 구성요소들을 함께 결합시키기 위하여 충분한 접착 및 응집 특성을 가질 수 있다. 그리고, 이들은 배터리 내의 전해질의 강인한 밀봉을 제공하면서 본 구성의 디바이스에 내재된 마이크로미터 스케일의 특징부 내로 유동할 수 있게 할 수도 있다. 적합한 PSA의 일부 예에서, PAS는, 배터리가 장기간 동안 극한의 습도에 노출될 수 있는 경우에도, 배터리 내에서 바람직한 수성 전해질 조성물을 유지하기 위하여 수증기에 대한 낮은 투과성을 가질 수 있다. PSA는 산, 계면활성제, 및 염과 같은 전해질의 성분에 대한 양호한 내화학성을 가질 수 있다. 그들은 수 침지(water immersion)의 효과에 불활성일 수 있다. 적합한 PSA는, 아연 애노드의 직접 산화 - 자체 방전의 형태일 수 있음 - 의 속도를 최소화하기 위해 산소에 대한 낮은 투과성을 가질 수 있다. 그리고, 그들은, 수성 전해질 중 아연 애노드로부터 느리게 방출될 수 있는 수소 가스에 대한 유한한 투과성을 가능하게 할 수 있다. 수소 가스에 대한 유한한 투과성의 이러한 특성은 내부 압력의 증가를 회피할 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 투과성을 갖는 우수한 배리어 밀봉제일 수 있다. 본 발명의 예에 유용한 PIB의 예는 바스프 코포레이션(BASF Corporation)에 의한 오파놀(Oppanol)® B15일 수 있다. 오파놀® B15는 톨루엔, 헵탄, 도데칸, 미네랄 스피릿 등과 같은 탄화수소 용매에 용해될 수 있다. 하나의 예시적인 PSA 조성물은 70%(w/w) 톨루엔 및 30%(w/w) 도데칸을 포함하는 용매 혼합물 중에 30%(w/w) 오파놀® B15를 포함할 수 있다. PIB 기반 PSA의 접착 및 유동학적 특성은 PIB의 상이한 분자량 등급들의 혼합에 의해 일부 예에서 결정될 수 있다. 통상의 접근법은 습윤화, 점착, 및 접착에 영향을 미치기 위하여 낮은 몰 질량 PIB, 예컨대 오파놀® B10을 다수 사용하고, 유동에 대한 인성(toughness) 및 저항에 영향을 미치기 위하여 높은 몰 질량 PIB를 소수 사용하는 것일 수 있다. 결과적으로, 임의의 수의 PIB의 몰 질량 등급들의 혼합이 구상될 수 있으며, 본 발명의 범주 내에서 실시될 수 있다. 더욱이, 점착부여제는 전술된 요건이 충족될 수 있는 한 PSA 제형에 첨가될 수 있다. 바로 그 특성에 의해, 점착부여제는 PSA 제형에 극성 특성을 부여하여, 이는 PSA의 배리어 특성에 부정적인 영향을 미치지 않도록 주의해서 사용될 필요가 있을 수 있다. 더욱이, 점착부여제는 일부 경우에 산화 불안정일 수 있고, PSA로부터 침출될 수 있는 산화방지제를 포함할 수 있다. 이러한 이유로, 생체적합성 층상 마이크로배터리들을 위해 PSA에서 사용하기 위한 예시적인 점착부여제는 이스트만 케미칼 코포레이션(Eastman Chemical Corporation)으로부터의 점착부여제의 레갈레즈(Regalrez) 시리즈와 같은 완전히 또는 주로 수소화된 탄화수소 수지 점착부여제를 포함할 수 있다.
생체적합성 배터리 모듈에서 추가의 패키지 및 기판 고려사항
생체적합성 층상 마이크로배터리에 사용되는 패키지 설계를 위한 바람직한 특성을 나타낼 수 있는 많은 패키징 및 기판 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 수분 이득 또는 손실에 대한 충분한 확산 배리어를 제공할 수 있다. 많은 바람직한 예에서, 패키징은 직접 산화에 의한 아연 애노드의 열화를 제한하기 위해 산소 침입에 대한 충분한 확산 배리어를 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 유형의 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 배리어 층을 포함하는 다층 필름 구조물을 포함할 수 있다. 그러한 필름 구조물은 공압출된 배리어 라미네이트 필름으로 지칭될 수 있다. 본 발명에 특히 유용한 상업용 공압출된 배리어 라미네이트 필름의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 캐리어 웨브, 증착된 알루미늄 배리어 층, 및 33 마이크로미터의 총 평균 필름 두께를 포함하는 폴리에틸렌 층으로 이루어진 쓰리엠(3M)® 스카치팩(Scotchpak) 1109 배킹일 수 있다. 많은 다른 유사한 다층 배리어 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 유형을 나타내도록 의도될 수 있는 표면 측량학의 분야에 많은 예가 있을 수 있다.
생체적합성 동력공급의 예시적인 처리 예시 - 배치된 세퍼레이터
생체적합성 동력공급 요소의 처리 시 수반될 수 있는 단계의 예가 도 4a 내지 도 4n을 참조하여 확인될 수 있다. 예시적인 단계의 일부에서의 처리는 개별 도면에서 확인될 수 있다. 도 4a에는, PET 캐소드 스페이서(401) 및 PET 갭 스페이서(404)의 조합이 도시될 수 있다. PET 캐소드 스페이서(401)는, 예를 들어, 대략 3 밀(mil) 두께일 수 있는 PET의 필름(403)을 적용함으로써 형성될 수 있다. PET 층의 어느 일 면 상에 PSA 층들이 발견될 수 있거나, 이들은 두께가 대략 1 밀일 수 있는 PVDF 이형 층(402)으로 캡핑(capping)될 수 있다. PET 갭 스페이서(404)는 대략 3 밀 두께일 수 있는 PVDF 층(409)으로 형성될 수 있다. 두께가 대략 0.5 밀일 수 있는 캡핑 PET 층(405)이 있을 수 있다. 일부 예에서, PVDF 층(409)과 캡핑 PET 층(405) 사이에 PSA의 층이 있을 수 있다.
도 4b로 가면, PET 갭 스페이서 층(404) 내의 구멍(406)이 레이저 절단 처리에 의해 절단될 수 있다. 다음으로, 도 4c에서, 절단된 PET 갭 스페이서 층(404)은 PET 캐소드 스페이서 층(401)에 라미네이팅될(408) 수 있다. 도 4d로 가면, 캐소드 스페이서 구멍(410)이 레이저 절단 처리에 의해 절단될 수 있다. 이러한 절단 단계의 정렬은 PET 갭 스페이서 층(404) 내의 미리 절단된 특징부에 정합될 수 있다. 도 4e에서, 궁극적인 세퍼레이터 층을 위한, 셀가드 층(412)이 캐리어(411)에 접합될 수 있다. 도 4f로 가면, 셀가드 재료는 이전의 2개의 레이저 절단된 구멍들의 크기와 PET 갭 스페이서(404) 내의 구멍(406)의 대략적인 크기 사이에 있는 형상으로 절단되어, 미리절단된 세퍼레이터(420)를 형성할 수 있다. 도 4g로 가면, 픽 앤드 플레이스 툴(pick and place tool)(421)이 사용되어 셀가드의 개별 피스를 성장하는 디바이스 상의 그의 원하는 위치로 집어서 배치할 수 있다. 도 4h에서, 배치된 셀가드 피스들(422)은 제자리에 체결되고, 이어서 PVDF 이형 층(423)은 제거될 수 있다. 도 4i로 가면, 성장하는 디바이스 구조물은 애노드(425)의 필름에 접합될 수 있다. 애노드(425)는 아연 애노드 필름이 그 위에 전착된 애노드 콜렉터 필름을 포함할 수 있다.
도 4j로 가면, 캐소드 슬러리(430)가 형성된 갭 내에 배치될 수 있다. 스퀴지(431)가 일부 예에서 사용되어 작업물에 걸쳐 캐소드 믹스를 펴바르고, 공정 중에, 형성되는 배터리 디바이스의 갭을 충전할 수 있다. 충전 후에, 나머지 PVDF 이형 층(432)이 제거될 수 있고, 이는 도 4k에 도시된 구조물을 야기할 수 있다. 도 4l에서, PET 층 상부의 높이에 또한 있도록 캐소드 슬러리(440)를 수축시킬 수 있는 건조 공정을 전체 구조물에 수행할 수 있다. 도 4m으로 가면, 캐소드 필름 층(450) - 그 위에 캐소드 콜렉터 필름을 이미 갖고 있을 수 있음 - 이 성장하는 구조물에 접합될 수 있다. 도 4n에서, 레이저 절단 공정이 측면 영역(460)을 제거하고 배터리 요소(470)를 산출하기 위해 수행될 수 있다. 본 발명의 의도 내에서 유용할 수 있는 재료 및 두께 목표에 대한 다수의 변형, 삭제, 변경이 있을 수 있다.
예시적인 처리의 결과는 도 5에 일부 상세하게 도시될 수 있다. 일례에서, 하기 참조 특징부들이 정의될 수 있다. 캐소드 화학물질(510)은 캐소드 및 캐소드 콜렉터(520)와 접촉하여 위치될 수 있다. 감압 접착제 층(530)은 캐소드 콜렉터(520)를 유지하고 그를 PET 스페이서 층(540)에 밀봉할 수 있다. PET 스페이서 층(540)의 다른 측 상에는 다른 PSA 층(550)이 있을 수 있는데, 이는 PET 스페이서 층(540)을 PET 갭 층(560)에 밀봉하고 접착시킨다. 다른 PSA 층(565)은 PET 갭 층(560)을 애노드 및 애노드 전류 콜렉터 층들에 밀봉하고 접착시킬 수 있다. 아연 도금된 층(570)이 애노드 전류 콜렉터(580) 상에 도금될 수 있다. 세퍼레이터 층(590)은 본 발명에서 정의된 바와 같은 연관된 기능들을 수행하도록 구조물 내에 위치될 수 있다. 일부 예에서, 전해질이 디바이스의 처리 동안 추가될 수 있고, 다른 예에서는, 세퍼레이터가 전해질을 이미 포함할 수 있다.
생체적합성 동력공급의 예시적인 처리 예시 ― 침착된 세퍼레이터
생체적합성 동력공급 요소의 처리 시 수반될 수 있는 단계의 예가 도 6a 내지 도 6f에서 확인될 수 있다. 예시적인 단계의 일부에서의 처리는 개별 도면에서 확인될 수 있다. 본 발명의 의도 내에서 유용할 수 있는 재료 및 두께 목표에 대한 다수의 변형, 삭제, 변경이 있을 수 있다.
도 6a에서, 예시적인 층상 구조물(600)이 도시되어 있다. 층상 구조물은 2개의 층상 구조물 이형 층들(602, 602a); 층상 구조물 이형 층들(602, 602a) 사이에 위치된 2개의 층상 구조물 접착제 층들(604, 604a); 및 2개의 층상 구조물 접착제 층들(604, 604a) 사이에 위치된 층상 구조물 코어(606)를 포함할 수 있다. 층상 구조물 이형 층들(602, 602a) 및 접착제 층들(604, 604a)은 제조되거나, 또는 주 라이너 층을 갖는 구매가능한 감압 접착제 전사 테이프와 같이 구매될 수 있다. 층상 구조물 접착제 층들은, 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 가면, 캐소드 포켓(608)을 위한 공동과 같은, 캐소드 혼합물을 저장하기 위한 수단이 레이저 절단 처리에 의해 층상 구조물 내에 절단될 수 있다.
다음으로, 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)은 애노드 연결 포일(610)을 접착시켜 캐소드 포켓(608)의 하부 개구를 덮는 데 사용될 수 있다. 도 6d로 가면, 애노드 연결 포일(610)이 마스킹 층(612)을 접착시킴으로써 노출된 하부 층 상에서 보호될 수 있다. 마스킹 층(612)은 주 라이너를 갖는 구매가능한 PSA 전사 테이프일 수 있다. 다음으로, 도 6e에서, 애노드 연결 포일(610)은 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 가면, 전기도금 이후에 애노드 집전 마스킹 층(612)이 애노드 연결 포일(610)의 하부로부터 제거된다.
도 7a 내지 도 7f는 도 6a 내지 도 6f에 도시된 단계들을 처리하는 대안의 예시적인 모드를 도시한다. 도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b에 도시된 것과 유사한 공정들을 도시할 수 있다. 층상 구조물은, 양단부에 한 층씩 있는 2개의 층상 구조물 이형 층들(702, 702a); 층상 구조물 이형 층들(702, 702a) 사이에 위치된 2개의 층상 구조물 접착제 층들(704, 704a); 및 2개의 층상 구조물 접착제 층들(704, 704a) 사이에 위치된 층상 구조물 코어(706)를 포함할 수 있다. 층상 구조물 이형 층들 및 접착제 층들은 제조되거나, 또는 주 라이너 층을 갖는 구매가능한 감압 접착제 전사 테이프와 같이 구매될 수 있다. 층상 구조물 접착제 층들은, 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 가면, 캐소드 포켓(708)을 위한, 공동과 같은, 저장 수단이 레이저 절단 처리에 의해 층상 구조물 내에 절단될 수 있다. 도 7c에서, 애노드 연결 포일(710)이 얻어질 수 있고, 보호 마스킹 층(712)이 일면에 적용될 수 있다. 다음으로, 도 7d에서, 애노드 연결 포일(710)이 응집성 금속, 예를 들어 아연의 층(714)으로 전기도금될 수 있다. 도 7e로 가면, 도 7b의 구조물을 도 7d의 전기도금된 층(714)에 접착시킴으로써 도 7b 및 도 7d의 층상 구조물들이 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. 다음으로, 도 7f로 가면, 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 6f 및 도 7a 내지 도 7f에 도시된 것들과 유사한, 본 명세서에서 때때로 층상 조립체 또는 라미네이트 조립체로 지칭되는 생체적합성 층상 구조물에 대한 동력공급 요소들의 예시적인 구현예들을 도시한다. 도 8a로 가면, 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) 위로 적용될 수 있다. 다음으로, 도 8b에서, 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물(820)이 캐소드 포켓 내로 스퀴징(850)되면서 이형 층(802)으로부터 제거될 수 있다. 용어 "스퀴징된다"는 일반적으로 표면을 가로질러 문질러서 유체 재료를 표면 위에서 그리고 공동들이 존재할 때 공동들 내로 이동시키기 위한 평탄화(planarizing) 또는 스크래핑(scraping) 툴의 사용을 지칭할 수 있다. 스퀴징 공정은 이동될 재료와 화학적으로 양립할 수 있는 바와 같은 다수의 재료로 제조될 수 있는, 전문 용어로 "스퀴지" 유형 디바이스 또는 대안적으로 평탄화 디바이스, 예컨대 나이프 에지(knife edge), 레이저 에지(razor edge) 등과 유사한 장비에 의해 수행될 수 있다.
도 8b에 도시된 처리는 캐소드 포켓의 코팅 및 생성된 특징부들의 두께의 증가를 보장하기 위해 여러 회 수행될 수 있다. 다음으로, 도 8c에서, 전형적으로 다양한 유형의 용매들 또는 희석제들일 수 있는 재료들을 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물로부터 증발시키기 위해 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 혼합물이 건조되도록 허용될 수 있으며, 이어서, 분배되고 적용된 재료들이 경화될 수 있다. 일부 예에서 도 8b 및 도 8c에 도시된 공정들 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 방식들이 있을 수 있다.
경화의 결과는 하이드로겔 세퍼레이터 전구체 재료를, 공동의 벽뿐만 아니라 본 예에서는 애노드 특징부일 수 있는 애노드 또는 캐소드 특징부에 근접한 표면 영역에 형성하는 것일 수 있다. 공동의 측벽들에 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 가면, 캐소드 슬러리(830)가 층상 구조물 이형 층(802)의 표면 상에 침착될 수 있다. 다음으로, 도 8e에서, 캐소드 슬러리(830)는 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 상당한 정도로 제거될 수 있다. 도 8e의 공정은 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822)의 상부에 대한 캐소드 슬러리(830)의 코팅을 보장하기 위해 여러 회 수행될 수 있다. 다음으로, 도 8f에서, 캐소드 슬러리는 아래로 건조되도록 허용되어, 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822)의 상부 상에 격리된 캐소드 필(fill)(832)을 형성하여서, 캐소드 포켓의 나머지를 충전시킬 수 있다.
도 8g로 가면, 전해질 제형(840)이 격리된 캐소드 필(832) 상에 추가될 수 있고, 격리된 캐소드 필(832) 및 무수 중합된 전구체 혼합물 농축물(822)을 수화시키도록 허용될 수 있다. 다음으로, 도 8h에서, 캐소드 연결 포일(816)이 나머지 층상 구조물 이형 층(802)을 제거하고 연결 포일(816)을 제자리에 가압시킴으로써 나머지 층상 구조물 접착제 층(804)에 접착될 수 있다. 생성된 배치는, 수화된 캐소드 필(842)을 덮을 뿐만 아니라, 연결 수단 및 캐소드 전류 콜렉터로서 캐소드 필(842)에 대한 전기적 접촉을 확립하는 결과를 가져올 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 도 7d로부터의 생성된 라미네이트 조립체의 대안적인 예를 도시한다. 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 도면들에 설명된 바와 유사한 방식으로 응집성 금속, 예를 들어 아연의 층(714)으로 도금될 수 있다. 도 9b로 가면, 하이드로겔 세퍼레이터(910)가 도 8e에 도시된 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 분배되고 이어서 스핀 코팅 처리에 의해 원하는 두께로 조절될 수 있다. 대안적으로, 재료는 분무 코팅, 또는 임의의 다른 처리 등가물에 의해 적용될 수 있다. 다음으로, 도 9c에서, 세퍼레이터 영역 주위의 격납부로서 기능할 수 있는 하이드로겔 세퍼레이터의 세그먼트를 생성하기 위한 처리가 도시된다. 처리는, 형성된 배터리 요소들의 내부 구조물 밖으로의 전해질과 같은 재료들의 유동 또는 확산을 제한하는 영역을 생성할 수 있다. 따라서, 다양한 유형의 그러한 차단 특징부(920)가 형성될 수 있다. 일부 예에서, 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 영역적으로 구별된 부분들을 생성하도록 경화되기 전에 그것에 재료들이 추가될 수 있다. 또 다른 예에서, 하이드로겔 세퍼레이터 재료의 영역들이, 예를 들어 영역 크기를 한정하기 위한 마스킹에 의한 층의 화학적 에치를 비롯한 다양한 기법들에 의해 경화 전이나 후에 제거될 수 있다. 제거된 재료의 영역은 그 자체로 차단 특징부를 생성할 수 있거나, 또는 대안적으로, 실질적으로 다시 보이드 내에 추가되어 차단 특징부를 생성할 수 있다. 불투과성 세그먼트의 처리는, 보이드를 생성하기 위해, 이미지 아웃 처리(image out processing), 증가된 가교결합, 헤비 포토도우징(heavy photodosing), 백-필링(back-filling), 또는 하이드로겔 접착의 생략을 포함하는 여러 방법들을 통해 이루어질 수 있다. 일부 예에서, 도 9c에서의 처리의 결과로서 도시된 유형의 라미네이트 구조물 또는 조립체가 차단 특징부(920) 없이 형성될 수 있다.
중합된 배터리 요소 세퍼레이터
일부 배터리 설계에서, (이전의 섹션에서 기술된 바와 같은) 별개의 세퍼레이터의 사용은, 비제한적인 예로서 비용, 재료들의 이용가능성, 재료들의 품질, 또는 일부 재료 옵션들에 대한 처리의 복잡성과 같은 다양한 이유들로 인해 배제될 수 있다. 그러한 경우에, 예를 들어 도 8a 내지 도 8h의 공정들에 도시되는 캐스트(cast) 또는 현장성형(form-in-place) 세퍼레이터가 바람직한 이득들을 제공할 수 있다. 전분(starch) 또는 페이스트형 세퍼레이터들이 AA 및 다른 포맷 르클랑셰(Leclanche) 또는 아연-탄소 배터리들에 상업적으로 성공적으로 사용되었지만, 그러한 세퍼레이터들은 층상 마이크로배터리들의 특정 예들에 사용하기에는 어떤 면에서 부적합할 수 있다. 본 발명의 배터리들에 사용되는 임의의 세퍼레이터에 대한 기하형상의 균일성 및 일관성에 특별한 주의를 기울일 필요가 있을 수 있다. 세퍼레이터 체적에 대한 정밀한 제어가, 알려진 캐소드 체적들의 정밀한 후속 통합과, 일관된 방전 용량 및 전지 성능의 후속 실현을 용이하게 하는 데 필요할 수 있다.
균일하고 기계적으로 강건한 현장성형 세퍼레이터를 달성하기 위한 방법은 UV 경화성 하이드로겔 제형들을 사용하는 것일 수 있다. 많은 물-투과성 하이드로겔 제형들이 다양한 산업들, 예를 들어 콘택트 렌즈 산업에 알려져 있을 수 있다. 콘택트 렌즈 산업에서 일반적인 하이드로겔의 일례는 폴리(하이드록시에틸메타크릴레이트) 가교결합된 겔 또는 간단히 pHEMA일 수 있다. 본 발명의 많은 응용에 대해, pHEMA는 르클랑셰 및 아연-탄소 배터리들에서 사용하기 위한 많은 매력적인 특성을 가질 수 있다. pHEMA는 전형적으로 약 100 psi 이상의 탄성계수를 유지하면서 수화된 상태에서 대략 30 내지 40%의 수분 함량을 유지할 수 있다. 또한, 가교결합된 하이드로겔의 탄성계수 및 수분 함량 특성들은 추가의 친수성 단량체(예컨대, 메타크릴산) 또는 중합체(예컨대, 폴리비닐피롤리돈) 성분들을 혼입시킴으로써 당업자에 의해 조정될 수 있다. 이러한 방식에서, 수분 함량, 또는 보다 구체적으로는 하이드로겔의 이온 투과성은 제형에 의해 조정될 수 있다.
특히 유리하게, 일부 예에서, 캐스팅가능하고 중합성인 하이드로겔 제형이 처리를 용이하게 하기 위해 하나 이상의 희석제들을 함유할 수 있다. 희석제는 캐스팅가능한 혼합물이 공동 내로 스퀴징될 수 있도록 휘발성인 것으로 선택되고, 이어서 휘발성 용매 성분을 제거하기에 충분한 건조 시간이 허용될 수 있다. 건조 이후에, CGI 819와 같은 선택된 광개시제에 대해, 420 nm에서의 청색 UV 광과 같은 적절한 파장의 화학 방사선에 대한 노출에 의해 벌크 광중합이 개시될 수 있다. 휘발성 희석제는 공동 내에 중합성 재료의 균일한 층의 캐스팅을 용이하게 하도록 바람직한 적용 점도를 제공하는 것을 도울 수 있다. 휘발성 희석제는 또한, 특히 강한 극성의 단량체들이 제형에 혼입되는 경우에, 이로운 표면 장력 저하 효과를 제공할 수 있다. 공동 내의 중합성 재료의 균일한 층의 캐스팅을 달성하는 데 중요할 수 있는 다른 양태는 적용 점도일 수 있다. 일반적인 작은 몰 질량의 반응성 단량체들은 전형적으로 매우 높은 점도를 갖지 않고, 이는 전형적으로 단지 수 센티푸아즈(centipoise)일 수 있다. 캐스팅가능하고 중합성인 세퍼레이터 재료의 이로운 점도 제어를 제공하기 위한 노력으로, 중합성 재료와 양립가능한 것으로 알려진 높은 몰 질량의 중합체 성분이 제형에 혼입하기 위해 선택될 수 있다. 예시적인 제형에 혼입하기에 적합할 수 있는 높은 몰 질량의 중합체의 예는 폴리비닐피롤리돈 및 폴리에틸렌 옥사이드를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 캐스팅가능하고 중합성인 세퍼레이터는 이전에 기술된 바와 같이, 설계된 공동에 유리하게 적용될 수 있다. 대안적인 예에서, 중합 시에 공동이 없을 수 있다. 대신에, 캐스팅가능하고 중합성인 세퍼레이터 제형은 전극-수용 기판, 예를 들어, 패턴화된 아연 도금된 황동 상에 코팅될 수 있고, 이어서 후속하여 포토마스크를 사용하여 화학 방사선에 노출되어 타깃화된 영역에서 세퍼레이터 재료를 선택적으로 중합할 수 있다. 이어서, 미반응 세퍼레이터 재료가 적절한 헹굼 용매에 대한 노출에 의해 제거될 수 있다. 이들 예에서, 세퍼레이터 재료는 광패턴화가능 세퍼레이터로서 지정될 수 있다.
다수의 구성요소 세퍼레이터 제형
본 발명의 예에 따른 유용한 세퍼레이터는 그의 기능에 중요할 수 있는 다수의 특성을 가질 수 있다. 일부 예에서, 세퍼레이터는 바람직하게는 세퍼레이터의 양측 상의 층들이 서로 물리적으로 접촉하지 않도록 물리적 배리어를 생성하는 바와 같은 방식으로 형성될 수 있다. 따라서, 층은 균일한 두께의 중요한 특성을 가질 수 있는데, 이는 박층이 많은 이유로 바람직할 수 있지만, 보이드 또는 갭이 없는 층이 필수적일 수 있기 때문이다. 추가로, 박층은 바람직하게는 이온의 자유 유동을 허용하기 위해 높은 투과성을 가질 수 있다. 또한, 세퍼레이터는 세퍼레이터의 기계적 특성을 최적화하기 위해 최적의 수분 흡수를 요구한다. 따라서, 제형은 가교결합 성분, 친수성 중합체 성분 및 용매 성분을 함유할 수 있다.
가교결합제는 2개 이상의 중합성 이중 결합을 갖는 단량체일 수 있다. 적합한 가교결합제는 2개 이상의 중합성 작용기를 갖는 화합물일 수 있다. 적합한 친수성 가교결합제의 예는 또한 2개 이상의 중합성 작용기, 및 친수성 작용기, 예를 들어 폴리에테르, 아미드 또는 하이드록실기를 가진 화합물을 포함할 수 있다. 특정 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, 예컨대, 반응 혼합물 중의 반응성 성분 100 그램당 약 0.000415 내지 약 0.0156 몰의 범위일 수 있다. 사용되는 친수성 가교결합제의 양은 일반적으로, 약 0 내지 약 2 중량%, 그리고 예를 들어 약 0.5 내지 약 2 중량%일 수 있다. 반응성 혼합물의 점도를 증가시킬 수 있고/있거나 저속-반응 친수성 단량체와의 수소 결합 정도를 증가시킬 수 있는 친수성 중합체 성분, 예컨대 고분자량 친수성 중합체가 바람직할 수 있다.
고분자량 친수성 중합체는 개선된 습윤성을 제공하고, 일부 예에서, 본 발명의 세퍼레이터에 대한 습윤성을 개선할 수 있다. 일부 비제한적 예에서, 고분자량 친수성 중합체는 수성 환경에서 물에 수소 결합하여 효과적으로 보다 친수성이 되는 수소 결합 수용체인 것으로 여겨질 수 있다. 물의 부재는 반응 혼합물 내로 친수성 중합체의 혼입을 용이하게 할 수 있다. 구체적으로 명명된 고분자량 친수성 중합체 이외에, 임의의 고분자량 중합체는 상기 중합체가 예시적인 실리콘 하이드로겔 제형에 첨가될 경우 친수성 중합체가 (a) 반응 혼합물로부터 실질적으로 상 분리되지 않고 (b) 생성된 경화된 중합체에 습윤성을 부여한다면 본 발명에 유용할 것으로 기대될 수 있다.
일부 예에서, 고분자량 친수성 중합체는 처리 온도에서 희석제에 가용성일 수 있다. 물 또는 수용성 희석제, 예컨대 아이소프로필 알코올(IPA)을 사용하는 제조 공정은 그들의 간단함과 감소된 비용으로 인하여 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, 더 적은 몰량의 HEMA와 같은 하이드록실-작용성 단량체와 DMA를 공중합시킨 후 생성된 공중합체의 하이드록실기를 라디칼 중합성 기를 함유한 재료와 반응시켜 작용화된 DMA를 포함할 수 있지만 이로 한정되지 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, 그 혼합물 및 공중합체(블록 또는 랜덤, 분지형, 다중사슬, 빗-모양 또는 별 모양 포함)를 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않고, 여기서 폴리-N-비닐피롤리돈(PVP)은, PVP가 하이드로겔 조성물에 첨가되어 낮은 정도의 표면 마찰 및 낮은 탈수율을 나타내는 상호침투 네트워크를 형성하는 바람직한 예일 수 있다.
당업계에 일반적으로 알려져 있을 수 있는 추가의 성분 또는 첨가제가 또한 포함될 수 있다. 첨가제는 자외선 흡수 화합물, CGI 819와 같은 광개시제, 반응성 틴트, 항균 화합물, 안료, 광변색 물질, 이형제, 이들의 조합 등을 포함할 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
이들 유형의 세퍼레이터와 연관된 방법은 또한, CGI 819를 수용하는 단계; 및 이어서 PVP, HEMA, EGDMA 및 IPA와 혼합하는 단계; 및 이어서 생성된 혼합물을 열원 또는 광자에 대한 노출로 경화시키는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 광자에 대한 노출은, 광자의 에너지가 전자기 스펙트럼의 자외선 부분에서 발생하는 파장과 일치하는 경우에 발생할 수 있다. 중합 반응에서 일반적으로 수행되는 중합을 개시하는 다른 방법은 본 발명의 범주 내에 있다.
전류 콜렉터와 전극
아연-탄소 및 르클랑셰 전지의 일부 예에서, 캐소드 전류 콜렉터는 소결된 탄소봉일 수 있다. 이러한 유형의 재료는 본 발명의 얇은 전기화학 전지에 대한 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 디바이스는 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 적층물을 위한 기판으로서의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 쓰리엠® 스카치팩 1109 배킹이 캐소드를 위한 전류 콜렉터로서 유용한 하나 이상의 금속 층의 물리 증착(physical vapor deposition, PVD)을 이용하여 금속화될 수 있다. 캐소드 전류 콜렉터로서 유용한 예시적인 금속 적층물은 Ti-W(티타늄-텅스텐) 접착 층과 Ti(티타늄) 전도체 층일 수 있다. 애노드 전류 콜렉터로서 유용한 예시적인 금속 적층물은 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 배리어 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. 일례에서, 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.
애노드 및 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 일례일 수 있지만, 초소형 배터리 설계를 실현하기에 바람직할 수 있는 아연의 다른 물리적 형태가 있을 수 있다.
전기도금된 아연은, 예를 들어 금속 부품의 보호 또는 심미적 코팅을 위한 다수의 산업에서의 사용의 예들을 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 접근법들에 의해 제조될 수 있다. 하나의 접근법은 포토마스크를 사용하는 것일 수 있다. 이들 예에서, 포토레지스트가 전도성 기판에 적용될 수 있으며, 이때 기판 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 배리어 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 캐소드 충전 단계 중에 접착제를 보호하는 것의 이중 목적으로 사용될 수 있는데, 이는 하기 설명에 기술되어 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 밀봉부를 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 설정값, 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 약 5 내지 10 마이크로미터 최대치까지일 수 있지만, 일부 예에서, 보다 낮은 전류 밀도가 아연 도금에 사용될 수 있고, 생성된 결절성 성장은 최대 애노드 수직 허용량보다 더 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 삼염화인듐 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)과 같은 수용성 중합체 또는 일부 다른 결합제 첨가제를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 다른 성분, 예컨대, 결합제, 전해질 염, 부식 억제제, 물 또는 다른 용매, 계면활성제, 리올로지 조절제(rheology modifier), 및 전도성 중합체와 같은 다른 전도성 첨가제 중 하나 이상이 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 수분 함량으로 부분적으로 건조될 수 있다.
전이 금속 산화물은, 예를 들어 이산화망간일 수 있다. 캐소드 혼합물에 사용될 수 있는 이산화망간은 예를 들어 이러한 유형의 이산화망간이 다른 형태, 예컨대 천연 이산화망간(NMD) 또는 화학적 이산화망간(CMD)에 비해 제공하는 이로운 추가적인 특정 에너지로 인해 전해 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 개구 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 능력을 개선시키기 위해 이용될 수 있다.
밀링은 파쇄(crushing), 연삭, 절단, 진동, 또는 다른 공정들에 의해, 하나의 평균 입자 크기로부터 보다 작은 평균 입자 크기로의 고체 재료들의 삭감이다. 밀링은 또한 유용한 재료들을 그들이 매설될 수 있는 매트릭스 재료들로부터 유리시키고 그리고 미네랄들을 농축시키기 위해 사용될 수 있다. 밀(mill)은 연삭, 파쇄, 또는 절단에 의해 고체 재료들을 보다 작은 피스들로 파단하는 디바이스이다. 밀링하기 위한 여러 수단들 및 그들 내에서 처리되는 많은 유형의 재료들이 있을 수 있다. 그러한 밀링 수단은, 다른 밀링 대안예들 중에서도 특히, 볼 밀, 비드 밀, 막자사발(mortar)과 막자(pestle), 롤러 프레스, 및 제트 밀을 포함할 수 있다. 밀링의 일례는 제트 밀링일 수 있다. 밀링 후에, 고체의 상태, 예를 들어 입자 크기, 입자 크기 배치 및 입자 형상이 변경된다. 응집 밀링(aggregate milling) 공정들이 또한 전달 또는 구조적 충전 이전에 "건조 충전재"를 제조하기 위해 응집물로부터 오염물질 또는 수분을 제거하거나 분리시키는 데 사용될 수 있다. 일부 장비는 고체 재료를, 최소 입자 크기와 최대 입자 크기 둘 모두에 의해 경계형성되는 크기를 갖는 입자들의 혼합물로 분류하기 위한 다양한 기법들을 조합할 수 있다. 그러한 처리는 "분류기" 또는 "분류"로 지칭될 수 있다.
밀링은 캐소드 혼합물 성분들의 균일한 입자 크기 분포를 위한 캐소드 혼합물 제조의 일 태양일 수 있다. 캐소드 혼합물에서의 균일한 입자 크기는 점도, 리올로지, 전기전도성, 및 캐소드의 다른 특성들을 도울 수 있다. 밀링은 캐소드 혼합물 성분들의 대량 집합 또는 응집을 제어함으로써 이러한 특성들을 도울 수 있다. 응집 - 캐소드 혼합물의 경우에, 탄소 동소체들 및 전이 금속 산화물들일 수 있는, 이질적인 요소들의 클러스터화 - 은 도 11에 도시된 바와 같이 원하는 캐소드 공동에 보이드를 남김으로써 충전 공정에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.
또한, 여과는 응집된 또는 원치 않는 입자들의 제거를 위한 다른 중요한 단계일 수 있다. 원치 않는 입자들은 과도한 크기의 입자들, 오염물질들, 또는 제조 공정에서 명시적으로 고려되지 않는 다른 입자들을 포함할 수 있다. 여과는 여과지 여과, 진공 여과, 크로마토그래피(chromatography), 미세여과, 및 다른 여과 수단과 같은 수단에 의해 달성될 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 옥시수산화니켈을 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 예들을 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 이로울 수 있다. 결합제 중합체가 사용되는 전해질에서 너무 가용성이면, 결합제의 일차 기능 - 전기적 연속성 - 이 전지 비-기능이라고 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. 용매는 캐소드 혼합물의 습윤화에 유용할 수 있는데, 이는 혼합물의 입자 분포를 도울 수 있다. 용매의 일례는 톨루엔일 수 있다. 또한, 계면활성제가 캐소드 혼합물의 습윤화, 및 그에 따라 분포에 유용할 수 있다. 계면활성제의 일례는 세제, 예컨대 트리톤™ QS-44일 수 있다. 트리톤™ QS-44는 캐소드 혼합물에서의 응집된 성분들의 해리를 도와서, 캐소드 혼합물 성분들의 보다 균일한 분포를 허용할 수 있다.
전도성 탄소가 전형적으로 캐소드의 제조 시에 사용될 수 있다. 탄소는 많은 동소체들 또는 상이한 구조적 변형들을 형성할 수 있다. 상이한 탄소 동소체들은 상이한 물리적 특성들을 가져서 전기전도성의 변동을 허용한다. 예를 들어, 카본 블랙의 "탄력성(springiness)"은 캐소드 혼합물의 전류 콜렉터에의 접착을 도울 수 있다. 그러나, 비교적 적은 양의 에너지를 요구하는 동력공급 요소들에서, 이러한 전기전도성의 변동은 다른 특성들 중에서도 특히, 밀도, 입자 크기, 열 전도성, 및 상대적 균일성과 같은 다른 유리한 특성들보다 덜 중요할 수 있다. 탄소 동소체들의 예는 다이아몬드, 흑연, 그래핀, 비정질 탄소(약식으로, 카본 블랙이라 함), 부크민스테르플러렌, 유리상 탄소(glassy carbon)(유리질 탄소(vitreous carbon)라고도 함), 탄소 에어로겔, 및 전기를 전도할 수 있는 탄소의 다른 가능한 형태들을 포함한다. 탄소 동소체의 일례는 흑연일 수 있다.
완성된 캐소드 혼합물 제형의 일례는 아래의 표에 주어질 수 있다:
Figure pat00001
여기서 PIB는 폴리아이소부틸렌이고, JMEMD는 제트 밀링된(jet milled) 이산화망간이고, KS6은 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 체적 내로 분배, 적용, 및/또는 저장될 수 있다. 표면 상으로의 충전은 시간 경과에 따라 체적이 충전되는 것을 초래할 수 있다. 혼합물을 적용, 분배, 및/또는 저장하기 위하여, 분배, 적용 및/또는 저장 공정을 최적화하기 위한 소정 리올로지가 요구될 수 있다. 예를 들어, 덜 점성인 리올로지는, 가능하다면 입자 분포를 희생시킴과 동시에 공동의 더 양호한 충전을 허용할 수 있다. 더 점성인 리올로지는, 가능하다면 공동을 충전하는 능력을 감소시키고 가능하다면 전기전도성을 잃으면서, 최적화된 입자 분포를 허용할 수 있다.
예를 들어, 도 10a 내지 도 10f는 공동 내로의 최적화된 및 비최적화된 분배 또는 적용의 예들을 도시한다. 도 10a는 적용, 분배, 및/또는 저장 후의, 캐소드 혼합물로 최적으로 충전된 공동의 일례를 도시한다. 도 10b는 하부 좌측 사분면(quadrant)(1002)에서 불충분한 충전을 갖는 공동의 일례를 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과일 수 있다. 도 10c는 상부 우측 사분면(1004)에서 불충분한 충전을 갖는 공동의 일례를 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 예들을 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과에 의해 유발된 기포일 수 있다. 도 10f는 공동의 상부(1010)를 향해 불충분한 충전을 갖는 공동의 일례를 도시하며, 이는 바람직하지 않은 캐소드 혼합물 리올로지의 직접적인 결과일 수 있다. 도 10b 내지 도 10f에 도시된 예시적인 결함들은, 여러 배터리 문제들, 예를 들어 감소된 용량, 증가된 내부 저항, 및 저하된 신뢰성을 야기할 수 있다.
또한, 도 11에서, 응집(1102)은 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 전기전도성을 유지하면서 층상 구조물 공동을 스퀴지 충전하기에 최적화된 땅콩-버터와 같은 주도(peanut-butter like consistency)와 비슷할 수 있다. 다른 예에서, 혼합물은 공동 내에 인쇄되기에 충분한 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 있에서 역할을 할 수 있다. 캐소드 슬러리들에 대한 첨가제들은 산화제들, 완충제들, 안정화제들, 계면활성제들, 부동태화제(passivating agent)들, 착화제들, 부식 억제제들, 또는 다양한 표면들에 선택성을 부여하기 위한 다른 제제들로 이루어질 수 있다. 추가로, 캐소드 슬러리들은 콜로이드 안정성을 위한 첨가제들 및/또는 pH 충격을 견디기 위한 완충제들을 함유할 수 있다. 양호한 캐소드 슬러리를 개발하는 것은, 이러한 첨가제와 다른 첨가제의 조합들을 균형화하여, 그들이 필요한 성능 뿐만 아니라 필요한 물리적 및 화학적 특징들을 제공하게 하도록 요구할 수 있다.
입자 크기는 캐소드 슬러리 성능에 영향을 줄 수 있다. 입자 크기 분포는, 예를 들어 레이저 회절, 동적 광 산란, 유체역학 분별, 침강, 및 음향 방법들에 의해 측정될 수 있다. 일부 예에서, 입자 크기의 추정은 사용되는 측정 기법에 의존할 수 있는 절대값들보다는 오히려 상대값들을 생성할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 슬러리 재료 특성들의 공정 제어는 공정 제어 사양들 내의 상대값들의 제어에 기초하여 효과적일 수 있다.
캐소드 슬러리들은 액체상, 예컨대 용매, 및 고체상, 예컨대 산화제들, 계면활성제들, 착화제들, 완충제들, 및/또는 다른 첨가제들로 이루어질 수 있다. 2개의 성분들은 물리적 또는 화학적 안정성 때문에 별개로 저장될 수 있다. 캐소드 슬러리 내의 성분들의 개수는 제조 공정에 영향을 줄 수 있다. 제조 공정의 강인성은 특히 성분들의 개수가 증가함에 따라 성분들의 혼합 비의 최소화된 변동에 의존할 수 있다. 반면에, 추가의 성분들을 포함시키기 위한 중요한 동인(driver)들이 있을 수 있다. 비제한적인 예에서, 슬러리 가용 시간(pot life)(성분들이 혼합된 후의 캐소드 슬러리의 수명)의 장수명화 및 생체적합성 둘 모두를 위한 캐소드 슬러리의 제형의 성분으로서 살생물제(biocide)를 포함하는 것이 유용할 수 있다. 그러한 예에서, 여분의 살생물제 성분의 첨가는 생성된 배터리들의 유의미한 성능에 관련되지 않을 수 있지만, 언급된 이유로 그럼에도 불구하고 중요할 수 있다. 슬러리 혼합물 내의 모든 성분들의 혼합 비에 대한 제어는 복잡한 제형들에서의 전체 제어를 도울 수 있다. 다른 예에서, 다중 성분 캐소드 슬러리들은 제한된 가용 시간을 가질 수 있다. 일부 복잡한 제형들의 경우, 슬러리가 혼합된 후에 혼합물로부터 가스들의 흡수 또는 탈착 또는 증발과 같은 효과들에 의해 시간 경과에 따라 슬러리에 일어나는 변화들이 있을 수 있다. 그러한 예에서, 더 많은 성분들을 추가할 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 불안정한 캐소드 슬러리는 혼합물 밖에서 더 많은 입자 침전을 가질 수 있다. 따라서, 불안정한 캐소드 슬러리들은 필터들의 더 빈번한 변화들을 필요로 할 수 있고, 특수한 혼합 장비를 필요로 할 수 있다. 제형이 실용적일 만큼 최적화되고 어느 정도의 콜로이드 불안정성을 갖는 경우, 제형이 원하는 사양 범위에 유지되는 것을 보장하기 위해 다양한 공정 파라미터들의 유의한 모니터링을 요구할 수 있다. 어느 정도의 콜로이드 안정성에 도달하는 것의 일부로서, 제형은 슬러리 중의 일부 고체들의 표면 특성들을 변경하기 위해 계면활성제들을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 주변 제어들이 콜로이드 안정성을 개선하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 슬러리 혼합물의 온도 및 일정 범위 내에서의 그 온도의 제어는 안정성을 개선할 수 있다. 따라서, 일부 예에서, 캐소드 슬러리들에 대한 제형들은 저장, 혼합 및 분배 양태들 뿐만 아니라 배터리 처리 양태들 자체를 포함할 수 있는 제조 동안 이상적인 온도 범위들을 요구할 수 있다.
캐소드 슬러리의 특성 및 조성은 제조가능성에 영향을 미칠 수 있다. 대규모 제조에서, 캐소드 슬러리는 도 12에 예시적인 방식으로 도시된 바와 같이, 캐소드 슬러리 분배 시스템(cSDS)에 의하여 제조 및 전달될 수 있다. 도 12에서, 캐소드 슬러리에 대한 시약들(1200) 모두는 개별 유지 전지들에서 별개로 유지될 수 있다. 이것은 개별 고체상 시약들(1202, 1204, 1208) 및 개별 액체상 시약들(1206)을 포함할 수 있다. 일례에서, 제1 고체상 성분은 제트 밀링된 전해 이산화망간(JMEMD)일 수 있고; 제2 고체상 시약은 카본 블랙일 수 있고; 제3 고체상 성분은 폴리아이소부틸렌(PIB)일 수 있고; 제1 액체상 성분은 톨루엔일 수 있다. 이러한 시약들은 상업적인 벤더에 의해 구매되거나 사내에서 제조될 수 있다.
시약들의 유래에 상관없이, 일정 수준의 시약 처리(1210)가 발생해야 한다. 시약 처리는 체질(1212, 1214, 1218), 필터링(1216), 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 일례에서, JMEMD가 최적의 입자 크기로 체질될 수 있고(1212); 카본 블랙이 최적의 입자 크기로 체질될 수 있고(1214); PIB가 최적의 입자 크기로 체질될 수 있고(1218); 톨루엔이 임의의 오염물질들 또는 원치않는 입자들을 제거하기 위해 필터링될 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 디바이스와 같은 체질 툴들을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 필터링은 여과지, 미세여과, 한외여과(ultrafiltration), 나노여과, 크로마토그래피, 및 다른 형태의 여과와 같은 필터링 수단을 사용함으로써 달성될 수 있다.
일단 시약들이 처리되면, 이들은 시약 예비혼합(1220)으로 전달될 준비가 될 수 있다. 원하는 유형의 캐소드 슬러리에 따라, 시약들은 다양한 조합들로 예비혼합될 수 있다. 일례는 2개의 고체상들을 함께 하나의 전지 내에서 예비혼합하는 것, 및 하나의 고체상을 하나의 액체상과 다른 전지 내에서 예비혼합하는 것일 수 있다. 예를 들어, JMEMD와 카본 블랙이 함께 하나의 고체상 예비혼합물(1222)로 예비혼합될 수 있고, 톨루엔과 PIB가 함께 상이한 액체상 예비혼합물(1224)로 예비혼합될 수 있다.
예비혼합 후, cSDS는 수율을 최대화하기 위해 중요할 수 있는 캐소드 슬러리 품질을 모니터링 및 유지하는 것을 허용하는 추가된 기능(1230)을 포함할 수 있다. 각각의 예비혼합 전지는 그것이 수용하고 있는 예비혼합 상에 대해 최적화된 별개의 품질 제어 측정들(1232, 1234)을 요구할 수 있다. 통상 측정되는 파라미터들은 pH, 비중, 및 입자 크기 분포와 산화제 농도를 포함할 수 있다. 또한, 펌프, 밸브, 피팅(fitting), 및 다른 구성요소가 캐소드 슬러리 특성들에 영향을 미칠 수 있다. 일례에서, 고체상 예비혼합물(1222)이 적절한 검사에 의한 입자 크기 분포 품질 제어(1232)를 요구할 수 있다.
캐소드 슬러리의 거동을 모니터링하기 위해, 물리적 및 화학적 특성들 둘 모두가 측정될 수 있다. 물리적 특성들의 측정들은 pH, 갤런당 중량, 비중, 전도도, 및 % 고형물을 포함할 수 있다. 점도가 브룩필드(BROOKFIELD) 점도계를 사용함으로써 측정될 수 있는데, 이는 캐소드 슬러리들이 뉴턴 방식으로 거동할 수 있다(점도가 전단율에 독립적임)는 것을 고려하면 유용할 수 있다. 그러나, 캐소드 형성에 유용한 슬러리의 일부 제형들은 비-뉴턴 캐소드 슬러리들로서 특징지어질 수 있는 슬러리들을 생성할 수 있다. 비-뉴턴 슬러리 동역학의 예들에서, 점도는 전단율 또는 응력 제어 유량계(rheometer)를 사용하여 전단율의 함수로서 측정될 수 있다. 공동들을 충전하기 위한 본 발명의 예들에 따른, 캐소드 슬러리의 적용에 유용한 점도의 일례는 대략 250,000 Pa·s일 수 있다. 점도는, 생체적합성 배터리들의 제조 동안 전달되는 슬러리의 특성들의 가변성을 최소화하기 위해 품질 제어 시스템의 일부로서 분배 동안뿐만 아니라 cSDS 루프에서 측정될 필요가 있을 수 있는 중요한 메트릭일 수 있다.
품질 제어 후, 고체상들 및 액체상들은 함께 혼합되어(1240) 슬러리 혼합물을 형성할 수 있다(1242). 슬러리 혼합물은 슬러리 상들이 분리되지 않도록 하기 위해 일정한 혼합이 일어나고 있는 전지 내에 함유될 수 있다. 이것은 산업용 크기의 혼합 용기로 달성될 수 있다.
일단 슬러리 혼합이 완료되면, 다른 여과 및 품질 제어 단계(1244)가 수행될 수 있다. 이러한 품질 제어 단계를 통과한 캐소드 슬러리는 슬러리 저장소로 진행할 수 있다(1250). 슬러리 저장소는 대량 제조를 위해 체적 요건들을 맞추도록 하는 데 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 전체에 걸쳐 수송 라인들 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)들, 및 압력/압력 또는 진공/압력 방법들에 의하여 구현될 수 있다. 기어, 베인(vane), 또는 원심 펌프들이 시스템에서의 응집을 야기할 수 있는 높은 전단을 발생시킬 수 있다. 일례로서, 1 m/s의 최소 유량이 캐소드 슬러리 재순환을 위해 사용될 수 있다. 이어서, 슬러리 저장소(1252) 내의 캐소드 슬러리 혼합물이, 슬러리 분배/충전(1260)으로 진행하기 전에, 여과 및 품질 제어 단계(1254)로 진행할 수 있다.
슬러리 분배/충전은 공동을 갖는 층상 구조물을 획득하는 것(1262)을 필요로 할 수 있다. 일단 공동을 갖는 층상 구조물이 획득되면(1262), 캐소드 슬러리 혼합물은 원하는 표면, 예를 들어 층상 구조물 상에 침착될 수 있다. 분배/충전은 예를 들어 도 8에 도시된 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 단계들이 본 발명과 관련하여 예시적인 방식으로 기술되었다. 그러한 특성의 다양한 변형, 추가, 삭제, 및 변경이 본 명세서의 범주 내에서 가능하다는 것이 이해될 수 있다. 일례로서, 다양한 재료들은, 기술된 것에 추가하여 재료들에 대해 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(침전을 야기할 수 있음) 전단을 가하지 않는 것, 탱크 내의 상부 공간을 습하게 유지하는 것, 및 시스템에 대한 정기적인 유지보수를 수행하는 것을 의미할 수 있다. cSDS 시스템의 최적화는 응집을 감소시키고 공정 변화를 최소화하는 것을 필요로 할 수 있다.
배터리 아키텍처 및 제조
배터리 아키텍처 및 제조 기술은 밀접하게 관련될 수 있다. 본 발명의 이전 섹션에서 논의된 바와 같이, 배터리는 하기 요소들을 갖는다: 캐소드, 애노드, 세퍼레이터, 전해질, 캐소드 전류 콜렉터, 애노드 전류 콜렉터, 및 패키징. 영리한 설계는 이러한 요소들을 조합하여 쉽게 하위조립체들을 제조하려고 시도할 수 있다. 다른 예에서, 최적화된 설계는 이중 용도의 구성요소를 가질 수 있는데, 예컨대, 금속 패키지를 사용하여 전류 콜렉터로서의 기능을 겸하도록 할 수 있다. 상대 체적 및 두께의 관점으로부터, 이들 요소는, 캐소드를 제외하고는, 거의 모두 동일한 체적일 수 있다. 일부 예에서, 전기화학 시스템은 기계적 밀도, 에너지 밀도, 방전 효율, 재료 순도에 있어서의 현저한 차이, 및 결합제, 충전제 및 도전제(conductive agent)의 존재로 인해 애노드로서 캐소드 체적의 약 2 내지 10배를 필요로 할 수 있다. 이러한 예에서, 다양한 구성요소의 상대적 축척은 요소들의 하기의 두께에서 근사화될 수 있다: 애노드 전류 콜렉터 = 1 μm; 캐소드 전류 콜렉터 = 1 μm; 전해질 = 간질 액체(interstitial liquid) (효과적으로는 0 μm); 세퍼레이터 = 원하는 만큼 얇거나 두꺼움, 여기서 계획된 최대 두께는 대략 15 μm일 수 있음; 애노드 = 5 μm; 및 캐소드 = 50 μm. 요소의 이러한 예에서, 배터리 화학물질을 사용 환경에서 유지하기에 충분한 보호를 제공하는 데 필요한 패키징은 계획된 최대 두께가 대략 50 μm일 수 있다.
원통형 또는 직사각형 형태와 같은 대형 프리즘 구조와 근본적으로 상이할 수 있는 그리고 웨이퍼 기반의 고체 상태 구조와 상이할 수 있는 일부 예에서, 그러한 예는 배터리 요소가 내부에 배열된 다양한 구성으로 제조된 웨브 또는 시트를 사용하여 "파우치"형 구조를 상정할 수 있다. 격납부는 맞은 편 면 위로 접혀진 하나의 필름 또는 2장의 필름을 가질 수 있는데, 이들 중 어느 구성도 2개의 대략적으로 평면인 표면을 가질 수 있고, 이어서 이는 주변부 상에서 밀봉되어 용기를 형성할 수 있다. 이러한 얇지만 넓은 폼 팩터는 배터리 요소 자체를 얇고 넓게 만들 수 있다. 더욱이, 이들 예는 코팅, 그라비어(gravure) 인쇄, 스크린 인쇄, 스퍼터링, 또는 다른 유사한 제조 기술을 통한 적용에 적합할 수 있다.
얇지만 넓은 폼 팩터를 갖는 이들 "파우치형" 배터리 예에서, 애노드, 세퍼레이터 및 캐소드와 같은 내부 구성요소들의 수많은 배열들이 있을 수 있다. 2개의 필름들에 의해 형성되는 봉입된 영역 내에서, 이러한 기본 요소들은 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 배치되어, 면들 중 하나 상에 침착되거나, 그 자신의 별개의 요소로서 삽입될 수 있다.
다른 유형의 예가, 웨브 또는 시트 형태의 필름들을 사용하여 배터리를 적층 구성하는 것을 수반할 수 있는 라미네이트 조립체로서 분류될 수 있다. 시트들은 감압 접착제, 열 활성 접착제, 또는 화학 반응 기반 접착제와 같은 접착제를 사용하여 서로에 대해 접합될 수 있다. 일부 예에서, 시트는 열 용접, 초음파 용접 등과 같은 용접 기술에 의해 접합될 수 있다. 시트는 롤-투-롤(R2R) 또는 시트-투-시트 조립과 같은 업계 표준 관행에 적합할 수 있다. 이전에 나타낸 바와 같이, 캐소드를 위한 내부 체적은 배터리 내의 다른 활성 요소보다 실질적으로 더 클 필요가 있을 수 있다. 배터리 구조물의 대부분은, 이러한 캐소드 재료의 공간을 생성하고, 이를 배터리가 휘어지는 동안 이동으로부터 지지해야 할 수 있다. 상당 부분의 두께 비용(budget)을 소비할 수 있는 배터리 구조물의 다른 부분은 세퍼레이터 재료일 수 있다. 일부 예에서, 시트 형태의 세퍼레이터는 라미네이트 처리에 유리한 해법을 생성할 수 있다. 다른 예에서, 세퍼레이터는, 세퍼레이터로서 작용하도록 하이드로겔 재료를 층 내에 분배함으로써 형성될 수 있다.
이러한 라미네이트 배터리 조립체의 예에서, 형성 제품은 패키지 층 및 애노드 전류 콜렉터의 조합일 수 있는 애노드 시트뿐만 아니라, 애노드 층을 위한 기판을 가질 수 있다. 형성 제품은 또한, 선택적인 세퍼레이터 스페이서 시트, 캐소드 스페이서 시트, 및 캐소드 시트를 가질 수 있다. 캐소드 시트는 패키지 층 및 캐소드 전류 콜렉터 층의 조합일 수 있다.
전극과 전류 콜렉터 사이의 긴밀한 접촉은 임피던스 감소 및 방전 용량 증가를 위해 극히 중요하다. 전극의 일부가 전류 콜렉터와 접촉하지 않는 경우에, 저항은 증가할 수 있는데, 이는 전도성이 이어서 (전형적으로는 전류 콜렉터보다 덜 전도성인) 전극을 통하는 것이거나 또는 전극의 일부가 완전히 연결해제될 수 있기 때문이다. 코인 전지 및 원통형 배터리들에서, 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; 이들은 소형 배터리의 전체 두께에 추가될 수 있다. 전형적인 패치 배터리들에서, 세퍼레이터가 전해질 중에 포화되고, 전극들을 가로질러 배치되고, 외부 패키징에 의해 아래로 가압될 수 있다. 층상의 대면형 배터리에서, 전극 밀착성을 증가시키기 위한 여러 방법들이 있다. 애노드는 페이스트를 사용하기보다는 오히려 전류 콜렉터 상에 직접 도금될 수 있다. 이러한 공정은 내재적으로 높은 수준의 밀착성 및 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 수분이 얇고 작은 밀봉부들을 통해 패키지로부터 빠져나갈 때 중요할 수 있다. 캐소드의 압축은 층상의 대면형 배터리에서 애노드와 캐소드 사이에 유연성 세퍼레이터 및/또는 전해질을 도입함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 겔 전해질 또는 하이드로겔 세퍼레이터가 조립체 상에 압축될 수 있고, 액체 전해질이 그럴 수 있는 바와 같이 간단히 배터리 밖으로 유출되지 않을 수 있다. 일단 배터리가 밀봉되면, 전해질 및/또는 세퍼레이터가 다시 캐소드 쪽으로 가압될 수 있다. 층상 적층물의 조립 후에 엠보싱 단계가 수행되어, 적층물에 압축을 도입할 수 있다.
생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 캐소드 혼합물은, 예를 들어 심장 박동 조절기 및 마이크로-에너지 하베스터와 같은 이식가능 전자 디바이스, 생물학적 기능을 모니터링 및/또는 검사하기 위한 전자적 정제, 능동 구성요소를 갖는 수술 디바이스, 안과용 디바이스, 마이크로크기 펌프, 제세동기, 스텐트 등과 같은 생체적합성 디바이스에서 사용될 수 있다.
생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 캐소드 혼합물에 대한 샘플 실시 형태를 예시하기 위해 특정 예가 기술되었다. 이들 예는 상기 예시를 위한 것이며, 임의의 방식으로 청구범위의 범주를 제한하고자 의도되지 않는다. 따라서, 본 설명은 당업자에게 명백할 수 있는 모든 예들을 포함하고자 한다.

Claims (20)

  1. 콘택트 렌즈에서 사용하기 위한 생체적합성 배터리를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    액체상 예비혼합물 중 하나 이상과 고체상 예비혼합물 중 하나 이상을 캐소드 슬러리 혼합물로 되도록 혼합하는 단계;
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계로서, 상기 생체적합성 배터리의 라미네이팅된 코어의 불충분한 충전을 야기할 수 있는 입자들을 상기 캐소드 슬러리로부터 제거하는, 상기 필터링하는 단계;
    상기 생체적합성 배터리에서 사용하기 위한 생체적합성 캐소드 내로
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 분배하는 단계로서, 상기 필터링하는 단계는 상기 캐소드 슬러리를 분배하는 단계 이전에 발생하는, 상기 분배하는 단계;
    생체적합성을 위해 상기 라미네이팅된 코어를 밀봉하는 단계; 및
    상기 생체적합성 배터리를 콘택트 렌즈 내에 삽입하는 단계를 포함하고,
    상기 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계는, 상기 생체적합성 배터리를 상기 콘택트 렌즈 내로 끼워맞추기에 충분히 작은 형태로 형성하는 것을 지원하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터링하는 단계는, 캐소드 슬러리 분배 시스템의 재순환 루프에서 발생하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 필터링하는 단계 이후에 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 저장 및 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 캐소드 슬러리 혼합물을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 액체상 예비혼합물은 하나 이상의 시약들을 포함하고, 여기서, 적어도 하나의 시약이 액체상 시약인, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 액체상 시약들을 필터링하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 하나의 액체상 시약이 용매를 포함하는, 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 고체상 예비혼합물은 하나 이상의 고체상 시약들을 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고체상 시약들을 균일한 입자 크기로 체질하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 고체상 시약은 제트 밀링된(jet milled) 전해 이산화망간을 포함하는, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 하나의 고체상 예비혼합물은 전이 금속 산화물을 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전이 금속 산화물은 이산화망간을 포함하는, 방법.
  13. 제8항에 있어서, 하나의 고체상 시약이 탄소 동소체를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 탄소 동소체는 흑연을 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 흑연은 카본 블랙을 포함하는, 방법.
  16. 제5항에 있어서, 상기 액체상 예비혼합물은 소수성 결합제를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 소수성 결합제는 폴리아이소부틸렌(PIB)을 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 소수성 결합제는 플루오로카본 고체를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 플루오로카본 고체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    공동을 형성하도록 제거된 체적을 갖는 층상 구조물을 획득하는 단계로서, 상기 층상 구조물은 제1 층상 구조물 코어에 라미네이팅된 제1 애노드 콜렉터 층을 포함하고, 상기 제1 층상 구조물 코어는 그가 상기 제1 애노드 콜렉터 층에 라미네이팅되기 전에 그의 바디로부터 제거된 체적을 갖고, 상기 층상 구조물은 상기 공동 내에 전기도금된 애노드 필름 및 그 위의 침착된 세퍼레이터 필름을 포함하고, 상기 침착된 세퍼레이터 필름은 세퍼레이터 필름을 형성하기 위해 증발하는 용매를 포함하는 용액으로서 침착되는, 상기 획득하는 단계; 및
    상기 고체상 예비혼합물 및 상기 액체상 예비혼합물의 품질을 확인하는 단계로서, 확인되는 상기 품질은 입자 크기 분포인, 상기 확인하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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