具有聚合物電解質和腔體結構的生物醫療通電元件的制作方法
相關申請的交叉引用
本專利申請為2015年8月17日提交的美國專利申請14/827,589的部分繼續申請，所述美國專利申請要求2014年8月21日提交的美國臨時專利申請62/040178的權益。
背景技術：
1.技術領域
本發明描述了用于提高電池的性能和生物相容性方面的設計和方法。在一些示例中，以聚合物形式提供電解質并且使用具有腔體的層合結構。
2.相關領域描述
近來，醫療裝置的數量開始快速增長并且其功能不斷完善。這些醫療裝置可包括例如植入式起搏器、用于監測和/或測試生物功能的電子藥丸、具有有源部件的外科裝置、接觸鏡片、輸注泵和神經刺激器。前述許多醫療裝置的功能增加和性能增強已經理論化并得以發展。然而，為了實現在理論上所說的增加的功能，這些裝置中的許多現在都需要自備式通電機構，該機構與這些裝置的尺寸和形狀要求以及新的通電組件的能量要求相容。
一些醫療裝置可包括諸如半導體器件的電子部件，這些部件執行多種功能并且可以結合到許多生物相容性和/或植入式裝置中。然而，此類半導體部件需要能量，因此，通電元件也應該優選地被包括在此類生物相容性裝置中。生物相容性裝置的形貌和相對較小的尺寸可為各種功能的限定產生挑戰性的環境。在許多示例中，可能重要的是，提供安全、可靠、緊湊和高性價比的機構為生物相容性裝置內的半導體組件供電。因此，需要形成用于植入生物相容性裝置內或之上的生物相容性通電元件，在生物相容性裝置中的這些毫米或更小尺寸的通電元件結構在保持生物相容性的同時也提供了通電元件的增強的功能。
用于為裝置供電的一種此類通電元件可能是電池。當在生物醫療型應用中使用電池時，可能重要的是，電池的結構和設計能夠固有地抵御材料入侵和散出。聚合物電解質電池設計可實現此類抵御。因此，存在對用于作為生物相容性通電元件的生物相容性聚合物電解質的新型示例的需要。
技術實現要素：
因此，本發明公開了用于在生物相容性通電元件中使用的聚合物電池設計及相關策略和設計。
一個一般的方面包括生物醫療裝置，該生物醫療裝置包括電活性部件和電池。電池可包括聚合物電解質，其中聚合物電解質包含離子物類。電池還包括二氧化錳陰極。電池還包括第一合物層，第一合物層包括第一腔體，其中第一腔體包含一定量的聚合物電解質。電池還包括第二合物層，第二合物層包括第二腔體，其中第二腔體包含一定量的二氧化錳陰極。生物醫療裝置還包括第一封裝層，其中第一封裝層至少封裝電活性部件和電池。
具體實施可包括以下特征中的一者或多者。在所述生物醫療裝置中，電池還包括：陽極集流體；陰極集流體；和陽極；其中陽極包含鋅，并且其中陽極和陽極集流體是單層。生物醫療裝置還包括聚合物電解質，其中電解質包含聚(偏二氟乙烯)。在一些示例中，聚合物電解質包含鋅離子。在一些示例中，電池可包含二氧化錳，并且在一些示例中，二氧化錳陰極包含經氣流粉碎的電解二氧化錳。電池可由陰極漿料形成，陰極漿料由包含聚合物粘合劑和填料(諸如聚(偏二氟乙烯)和炭黑)的二氧化錳制成。電池可具有由鋅形成的陽極，其中鋅在一些示例中可為箔形式。
電池可在封裝膜中包括密封件，所述封裝膜包封超過90％的不用于制備外部觸點的電池部分。當與這些層形成在一起時，層合結構可用氣密地密封的封裝來形成使得電池的厚度小于1mm。在一些示例中，電池厚度小于500微米。在一些另外的示例中，電池的厚度可小于250微米。
電池可形成為片材，并且各電池可由這些片材切割或分割而成。在一些示例中，切割電池的形狀可為曲線形狀。
一個一般的方面包括用于形成電池的方法，該方法涉及獲得陰極集流體膜，其中陰極接觸膜包含鈦。該方法還包括用碳涂層涂覆陰極集流體膜。該方法還包括獲得第一合物層，其中第一合物層包括第一主體并且至少第一剝離層和位于主體的表面上的壓敏粘合劑。該方法還包括在第一合物層中切割孔。該方法還包括將具有碳涂層的陰極集流體膜粘附至第一合物層，其中第一合物層中的孔與具有碳涂層的陰極集流體膜構建第一腔體。該方法還包括將二氧化錳漿料沉積到第一腔體中以及碳涂層上。該方法還包括干燥二氧化錳沉積物。該方法還包括獲得第二合物層，其中第二合物層包括第二主體并且至少第二剝離層和位于第二主體的表面上的壓敏粘合劑。該方法還包括在第二合物層中切割孔。該方法還包括將鋅箔粘附至第二合物層，其中第二合物層中的孔與鋅箔構建第二腔體。該方法還包括將包含離子成分的聚合物電解質沉積到第二腔體中。該方法還包括干燥聚合物電解質。該方法還包括將第一合物層層合至第二合物層，其中第一腔體和第二腔體至少在相應部分中對準并且聚合物電解質和二氧化錳沉積物層合在一起。該方法還包括在第一腔體和第二腔體外圍的區中從合物層切割材料。該方法還包括將鋅箔、聚合物、二氧化錳沉積物、陰極集流體、第一合物層和第二合物層封裝在生物相容性封裝膜中。該方法還包括分割出的電池元件。
附圖說明
通過對本發明的優選實施方案的以下更具體描述，如附圖中所示，本發明的上述及其它特征和優點將顯而易見。
圖1a至圖1d示出了與接觸鏡片的示例性應用一致的生物相容性通電元件的示例性方面。
圖2示出了具有聚合物電解質的示例性電池單元。
圖3a示出了具有示例性陽極和陰極連接部的第一獨立式包裝的生物相容性通電元件。
圖3b示出了具有示例性陽極和陰極連接部的第二獨立式包裝的生物相容性通電元件。
圖4a至圖4f示出了形成用于生物醫療裝置的生物相容性通電元件的示例性方法步驟。
圖5a至圖5d示出了用根據本發明的聚合物電解質制作的樣本的示例性電池特性。
圖6a至圖6c示出了示例性電池單元的另選實施方案，該示例性電池單元具有包括腔體層的聚合物電解質。
圖7a至圖7j示出了形成用于具有合物層的生物醫療裝置的生物相容性通電元件的示例性方法步驟。
具體實施方式
本專利申請公開了用于形成和使用具有聚合物一次電池化學物質的生物相容性電池的方法。聚合物電解質是構建在以下方面具有改善的能力的電池的關鍵組分：將電池化學物質包含在封裝內，以及降低作用到包含在封裝件或封裝內的內部電池部件上的力。在下述部分中，給出了各種示例的詳細描述。文中描述的示例僅為示例性實施方案，各種變型和更改對于本領域的技術人員而言可為顯而易見的。因此，示例不限制本申請的范圍。陽極制劑以及陽極制劑所形成的結構可被設計用于在生物相容性電池中使用。在一些示例中，這些生物相容性電池可被設計成在活生物體的機體中或其近側使用。
對生物相容性電池性能的一個重要需求涉及這些電池對其環境的敏感度，尤其涉及對其環境中濕氣的敏感度。具有含水電解質制劑的電池在這些方面可能極為敏感。在一些情況下，如果封裝策略不阻止水移動，則水可能移動到電池之外進入周圍環境，而這可導致電解質干燥，從而顯著影響電池性能參數諸如內電阻。在一些其它情況下，如果封裝策略允許甚至少量的水跨越，水也可擴散到電池中。水擴散到這些電池中的結果可導致電解質稀釋，從而影響電池性能，并且導致電池主體溶脹，進而可導致電池封裝破裂，從而可能造成顯著影響。用于配制聚合物電池電解質的方法可導致電池對物質諸如濕氣的進入或逸出相對不敏感。此類改善可改善性能和/或降低對密封和封裝工藝的要求。
具有可導致電池對其環境相對不敏感的聚合物電解質的電池可具有高于并超越對此類不敏感電池的基本需求的多種有益效果。例如，此類聚合物電解質可具有顯著改善的生物相容性，因為電解質無法輕易漏出。而且，所得的電解質并且在一些示例中所述所得的電解質所形成的分隔體可更耐受可能是生物醫療裝置加工中所必需的下游加工步驟，例如，重疊注塑所必需的高溫和低真空。可存在多種方式來形成具有這些性質的基于聚合物的電解質。
術語
在下文的說明和權利要求書中，可用到各種術語，它們將應用以下定義：
如本文所用，“陽極”是指電流通過其流進極化的電氣裝置的電極。電流的方向通常與電子流的方向相反。換句話講，電子從陽極流進例如電路中。
如本文所用，“粘結劑”是指能夠表現出對機械變形的彈性反應并且與其他通電元件部件化學相容的聚合物。例如，粘結劑可包括電活性材料、電解質、聚合物等。
如本文所用，“生物相容性”是指在具體的應用中以合適的宿主反應執行的材料或裝置。例如，生物相容性裝置對生物系統不具有毒性或有害作用。
如本文所用，“陰極”是指電流通過其流出極化的電氣裝置的電極。電流的方向通常與電子流的方向相反。因此，電子流進極化的電氣裝置的陰極并流出(例如)所連接的電路。
如本文所用，“涂層”是指材料以薄的形式的沉積物。在一些用途中，該術語將指代基本上覆蓋基底表面的薄沉積物，該沉積物在基底表面上形成。在其他更特殊的用途中，該術語可用于描述在表面的更小區中的小且薄的沉積物。
如本文所用，“電極”可指能量源中的有效質量。例如，它可包括陽極和陰極中的一者或兩者。
如本文所用，“通電的”是指能夠提供電流或能夠在其內儲存電能的狀態。
如本文所用，“能量”是指使物理系統做功的能力。通電元件的許多用途可涉及能夠執行電動作的能力。
如本文所用，“能量源”或“通電元件”或“通電裝置”是指能夠提供能量或將邏輯或電氣裝置置于通電狀態的任何裝置或層。通電元件可包括電池。電池可由堿性類型的電池化學物質形成，并且可為固態電池或濕電池。
如本文所用，“填料”是指不與酸性電解質或堿性電解質反應的一種或多種通電元件分隔體。一般來講，填料可包括基本上不溶于水的材料，諸如炭黑；煤粉；石墨；金屬氧化物和氫氧化物，諸如硅、鋁、鈣、鎂、鋇、鈦、鐵、鋅和錫的那些金屬氧化物和氫氧化物；金屬碳酸鹽，諸如鈣和鎂的那些碳酸鹽；礦物質，諸如云母、蒙脫土、高嶺石、綠坡縷石和滑石；合成的和天然的沸石，諸如波特蘭水泥；沉淀金屬硅酸鹽，諸如硅酸鈣；中空或實心聚合物或玻璃微球、薄片和纖維；等等。
如本文所用，“功能化的”是指使層或裝置能夠執行包括例如通電、激活和/或控制的功能。
如本文所用，“模具”是指可以用于由未固化的制劑形成三維物體的剛性或半剛性物體。一些示例性模具包括兩個模具部件，所述兩個模具部件在彼此相對時限定三維物體的結構。
如本文所用，“功率”是指單位時間內做的功或傳遞的能量。
如本文所用，“可再充電”或“可再通電”是指恢復到具有更大做功能力的狀態的能力。多種用途可涉及具有能夠使電流以某一速率在特定的恢復時間周期內流動的恢復能力。
如本文所用，“再通電”或“再充電”是指恢復到具有更大做功能力的狀態。多種用途可涉及使裝置恢復到使電流以某一速率在特定的恢復時間段內流動的能力。
如本文所用的并有時稱為“從模具釋放”的“釋放”意指三維物體與模具完全分離，或者只是松散地附接到模具，使得可通過輕輕晃動而移除。
如本文所用，“堆疊的”是指將至少兩個部件層緊鄰彼此放置，使得其中一層的一個表面的至少一部分接觸第二層的第一表面。在一些示例中，不論用于粘附還是用于其他功能的涂層都可駐留在通過所述涂層彼此接觸的兩個層之間。
如本文所用，“跡線”是指能夠將電路部件連接在一起的通電元件部件。例如，當基底為印刷電路板時，電路跡線可包括銅或金，并且在柔性電路中通常可為銅、金或印刷膜。一種特殊類型的“跡線”為集流體。集流體是具有電化學相容性的跡線，這使得集流體適用于在電解質的存在下引導電子流向陽極或流出陰極。
本文展示的方法和設備涉及形成用于包括在扁平或三維生物相容性裝置之內或之上的生物相容性通電元件。一種特定類型的通電元件可為以層形式制造的電池。層還可被歸類為合物層。以這種方式形成的電池可被歸類為層狀電池。
根據本發明，還可存在關于如何組裝和配置電池的其它示例，其中一些可在以下部分中描述。然而，對于許多這些示例，存在可獨立進行描述的電池的所選參數和特性。在下述部分中，將重點描述一些特性和參數。
具有生物相容性通電元件的示例性生物醫療裝置構造
可結合本發明的通電元件、電池的生物醫療裝置的示例可以是電活性調焦接觸鏡片。參見圖1a，此類接觸鏡片插入件的示例可被示為接觸鏡片插入件100。在接觸鏡片插入件100中，可存在電活性元件120，該電活性元件可響應于控制電壓來適應聚焦特性變化。用于提供這些控制電壓信號以及用于提供其它功能(諸如控制對用于外部控制信號的環境的感測)的電路105可由生物相容性電池元件110供電。如圖1a所示，電池元件110可作為多個主要件，在這種情況下是三個件，并且可包括各種電池化學元件構型，如所討論的那樣。電池元件110可具有各種互連特征結構，以將可示出為在互連件區114下方的件接合在一起。電池元件110可連接至電路元件，該電路元件可具有自身的基底111，互連特征結構125可位于該基底上。可為集成電路形式的電路105可電連接和物理連接至基底111及其互連特征結構125。
參見圖1b，接觸鏡片150的剖面浮雕(crosssectionalrelief)可包括接觸鏡片插入件100及其所討論的成分。接觸鏡片插入件100可被封裝到接觸鏡片水凝膠155的裙邊中，裙邊可封裝接觸鏡片插入件100并為用戶的眼睛提供與接觸鏡片150的舒適接觸界面。
參考本發明的概念，電池元件可以二維形式形成，如圖1c所描述。在該圖示中，可存在電池單元的兩個主要區，即電池部件165和第二電池部件的區以及電池化學元件160的區。在圖1c中以扁平形式示出的電池元件可連接至電路元件163，在圖1c的示例中電路元件163可包括兩個主要電路區域167。電路元件163可在電觸點161和物理觸點162處連接至電池元件。如已相對于本發明進行描述的，該扁平結構可折疊成三維錐形結構。在此過程中，第二電觸點166和第二物理觸點164可用于連接三維結構并使其保持物理穩定。參見圖1d，可找到該三維錐形結構180的圖示。也可找到物理觸點和電觸點181，并且該圖示可視為所得結構的三維視圖。該結構可包括模塊化電氣和電池部件，所述部件將與鏡片插入件一起結合到生物相容性裝置中。接觸鏡片的示例展示了可如何將生物相容性電池用于生物醫療裝置，但該示例并不是限制性的，因為許多其它生物醫療裝置，諸如電子活性藥丸、支架、植入物、皮膚貼和繃帶、牙齒植入物、可穿戴電子設備以及電子活性服裝和鞋，都可以是可使用本公開的生物相容性聚合物電解質電池的生物醫療裝置的非限制性示例。
平面型聚合物電解質電池示例
參見圖2，以剖視圖示出了平面型聚合物電解質電池的示例。在本公開的后面部分中，討論了部件以及所述部件的組裝方法，但該剖視圖給出了可如何為聚合物電解質一次電池組織重要電池部件的示例。電池可具有陰極區、陽極區、分隔體以及電解質區和封裝。陰極集流體220可形成裝置的基部。陰極集流體220可為由諸如鈦、黃銅、不銹鋼等的材料形成的導電金屬件。陰極集流體220可涂覆有各種涂層以增強表面粘結并降低電阻；常用的是碳涂層。陰極集流體220的一部分可從封裝280暴露并形成陰極集流體觸點210。用在電池單元內部的表面涂層可都不沉積在該區中，或者另選地可被移除以允許有效的外部連接。也可將表面涂層，例如銀膠、焊料或助熔劑，施加到電池單元外部的陰極集流體觸點210以改善連接。陰極230可形成在陰極集流體220上。陰極230可包括多個部件，所述部件包含電活性陰極化學物質，在非限制性意義上諸如mno2，以及粘結劑、電解質和其它添加劑。
聚合物電解質240可形成在陰極上。在一些示例中，電解質可涂覆在陰極或陽極的頂部。在其它示例中，電解質可通過絲網印刷法或浸涂法來施加。可存在多種方式來施加聚合物電解質240。聚合物電解質240還可用作電池裝置的分隔體。
在聚合物電解質240的另一表面上可為陽極250。陽極250可為粘附到聚合物電解質240的沉積膜、糊劑、箔或固體膜。陽極250可連接至陽極集流體260。陽極集流體260的一部分可延伸超過封裝280以形成陽極集流體觸點270。可存在多種方式來形成所示的示例性結構，并且步驟的順序可改變；因此，雖然膜可能被描述為形成在另一個層上，但可以假設該順序也可以反轉。此外，一些元件可任選地移除；諸如，在一些示例中，陽極集流體260可與陽極250為同一層。
扁平電池元件的定制形狀
在生物相容性電池的一些示例中，電池可成形為扁平元件。參見圖3a，電池元件的矩形輪廓310的示例可被示出為具有陽極連接部311和陰極連接部312。參見圖3b，電池元件的圓形輪廓330的示例可被示出為具有陽極連接部331和陰極連接部332。
在扁平成形電池的一些示例中，電池形狀的輪廓可在尺寸上和幾何上被構造成適配在定制產品中。除具有矩形或圓形輪廓的示例外，還可形成定制的“自由形式”或者“自由形狀”輪廓，這可允許優化電池構型以適配在給定的產品內。
在可變光學件的示例性生物醫療裝置中，扁平輪廓的“自由形式”示例可為弧形形式。自由形式可具有以下幾何結構，當它形成三維形狀時，其可采用適配在接觸鏡片的限制范圍內的錐形、環形裙邊的形式。顯然，在醫療裝置具有限制性2d或3d形狀要求的情況下，可形成類似的有利幾何形狀。
微電池的電氣要求
設計考慮的另一個領域可涉及裝置的電氣要求，這可由電池提供。為了用作醫療裝置裝置的功率源，當在非連接或非外部供電模式中工作時，可能需要適當的電池來滿足系統的全面電氣要求。非連接或非外部供電的生物醫療裝置的新興領域可包括，例如，視力矯正接觸鏡片、健康監測裝置、藥丸攝像機、以及新型裝置。集成電路(ic)技術的最新進展可允許在極低的電流水平下進行有意義的電氣操作，例如，待機電流僅為皮安級以及工作電流僅為微安級。ic的進展也可允許非常小的裝置。
用于生物醫療應用的微電池可需要滿足許多同步的、挑戰性的需求。例如，微電池可需要具有將合適的工作電壓遞送至相結合的電路的能力。該工作電壓可受若干因素的影響，包括：ic工藝“節點”、電路到其他裝置的輸出電壓、以及具體的電流消耗目標(這也可與期望的裝置壽命相關)。
至于ic工藝，節點通常可通過晶體管的最小特征尺寸進行區分，諸如其“所謂的”晶體管通道。該物理特征結構以及ic制造的其他參數諸如柵極氧化物厚度可與針對在給定工藝節點中制造的場效應晶體管(fet)的“開啟”電壓或“閾值”電壓所得的評級標準相關聯。例如，在最小特征尺寸為0.5微米的節點中，場效應晶體管開啟電壓通常為5.0v。然而在最小特征尺寸為90nm的節點中，場效應晶體管開啟電壓可為1.2v、1.8v和2.5v。ic鑄造廠可提供數字區塊的標準單元，例如，已經表征并額定用于特定的電壓范圍的逆變器和觸發器。設計者基于若干因素選擇ic工藝節點，包括數字裝置的密度、模擬/數字混合信號裝置、泄漏電流、布線層、以及特殊裝置諸如高電壓場效應晶體管的可用性。考慮到可從微電池獲取功率的電氣部件的這些參數方面，特別是就可用電壓和電流來說，微電池功率源與所選的工藝節點及ic設計的要求相匹配是重要的。
在一些示例中，由微電池供電的電路可連接至另一裝置。在非限制性示例中，微電池供電的電路可連接至致動器或換能器。取決于應用，這些可包括發光二極管(led)、傳感器、微電子機械系統(mems)泵或許多其他此類裝置。在一些示例中，此類連接的裝置可需要比一般ic工藝節點高的工作電壓條件。例如，變焦鏡片可需要35v來啟動。因此，當設計此類系統時，電池提供的工作電壓可為關鍵的考慮因素。在這類考慮因素的一些示例中，鏡片驅動器從1v的電池產生35v電壓的效率可明顯低于它從2v的電池產生35v電壓的效率。還考慮到微電池的工作參數，另外的要求諸如模具尺寸可明顯不同。
通常可用開路電壓、負載電壓和截止電壓來評定單個電池單元。開路電壓是由具有無限負載電阻的電池單元產生的電勢。負載電壓是在合適的、通常還是指定的負載阻抗跨電池終端放置時電池所產生的電勢。截止電壓通常是電池的大部分已放電時的電壓。截止電壓可表示電壓或放電程度，低于該電壓或放電程度時電池應停止放電以避免有害影響，諸如過度放氣。截止電壓不僅受電池本身的影響，通常還可受電池所連接電路的影響，例如電子電路的最低工作電壓。在一個示例中，堿性電池的開路電壓可為1.6v，負載電壓可在1.0v至1.5v的范圍內，并且截止電壓可為1.0v。給定微電池單元設計的電壓可取決于采用的電池化學物質的其他因素。因此，不同的電池化學物質可具有不同的電池電壓。
可將電池串聯連接來增加電壓值；然而，該組合權衡尺寸、內電阻以及電池復雜性。電池也可以并聯構型組合，以減小電阻并且增大容量；然而，此類組合可權衡尺寸和儲存壽命。
電池容量可為電池在一段時間內遞送電流、或做功的能力。電池容量可通常以單位諸如微安-小時表示。可遞送1微安電流1小時的電池具有1微安-小時的容量。通常可以通過增加電池裝置內反應物的質量(因而增大體積)來增加容量，然而應該認識到，生物醫療裝置在可用體積方面可受到明顯約束。電池容量也可受電極和電解質材料的影響。
根據電池所連接的電路的要求，電池可需要一定的值范圍內的源電流。在啟動使用之前的儲存過程期間，大約皮安至納安級的泄漏電流可能流過電路、互連器及絕緣體。在啟動操作期間，電路可消耗流到樣品傳感器、運行計時器的靜態電流，并執行此類低功率消耗功能。靜態電流消耗可為大約納安至毫安級。電路還可具有甚至更高的峰值電流需求，例如當寫入閃存存儲器或通過射頻(rf)通信時。該峰值電流可擴大至幾十毫安或更大。微電池裝置的電阻和阻抗對于設計考慮也可為重要的。
儲存壽命通常是指電池在存放時能夠持續帶電并仍保持可用工作參數的時長。由于若干原因，儲存壽命對于生物醫療裝置可尤為重要。電子裝置可取代非動力裝置，例如電子接觸鏡片的引入。由于消費者、供應鏈、和其他要求，這些現有市場空間中的產品可已建立了儲存壽命要求，例如三年。通常情況下，期望的是新產品不改變此類規格。也可根據包括微蓄電池的生物裝置的配送方法、庫存方法和使用方法來設定儲存壽命要求。因此，用于生物醫療裝置的微電池可具有特定的儲存壽命要求，例如儲存壽命可以年數來測量。
在一些示例中，三維生物相容性通電元件可為可再充電的。例如，還可以在三維表面上制作感應線圈。然后感應線圈可通過射頻(“rf”)卡(fob)通電。感應線圈可連接到三維生物相容性通電元件，以在向感應線圈施加rf時使通電元件再充電。在另一個示例中，還可以在三維表面上制作光伏，并連接到三維生物相容性通電元件。當暴露于光或光子時，光伏將產生電子以對通電元件再充電。
在一些示例中，電池可用于為電氣系統提供電能。在這些示例中，電池可電連接至電氣系統的電路。電路與電池之間的連接部可歸類為互連器。由于若干因素，對于生物醫學微電池，這些互連器可變得越來越具有挑戰性。在一些示例中，動力生物醫療裝置可非常小，從而使得用于互連器的面積和體積很小。尺寸和面積的限制可影響互連器的電阻與可靠性。
在其他方面，蓄電池可包含可在高溫下沸騰的液體電解質。該限制可直接與使用焊料互連器的需求相競爭，焊料互連器可例如需要相對較高的溫度諸如250攝氏度來進行熔融。雖然在一些示例中，包括電解質的電池化學物質和用于形成基于焊料的互連器的熱源可在空間上相互隔離。但就新興的生物醫療裝置而言，小尺寸可阻礙電解質和焊料接合部通過間隔足夠距離分離來減少熱傳導。
互連器
互連器可允許電流流入與外部電路連接的電池中以及從其流出。此類互連器可與電池的內部和外部的環境交互，并可橫跨這些環境之間的邊界或密封件。這些互連器可被視為跡線，其與外部電路連接，穿過電池密封件，然后連接至電池內部的集流體。同樣地，這些互連器可具有若干要求。在電池外部，互連器可類似于典型的印刷電路跡線。它們可焊接到或以其他方式連接到其他跡線。在其中電池是獨立于包括集成電路的電路板的單獨物理元件的示例中，電池互連器可允許連接到外部電路。可通過焊料、導電膠帶、導電油墨或導電環氧樹脂、或其他方式形成此連接。互連器跡線可能需要在電池外部環境中存在，例如，在氧氣存在的條件下不腐蝕。
由于互連器穿過電池密封件，所以互連器與密封件共存并允許密封是尤為重要的。除了在密封件與電池包裝件之間可能需要的粘附之外，在密封件與互連器之間也可能需要粘附。在電池內部存在電解質及其他材料的情況下，可能需要保持密封完整性。通常可為金屬的互連器可被稱為電池封裝中的故障點。電勢和/或電流的流動可增加電解質沿著互連器“蠕變”的趨勢。因此，互連器可能需要進行工程改造以保持密封完整性。
在電池內部，互連器可與集流體交互或可實際上形成集流體。就這一點而言，互連器可能需要滿足如本文所述的集流體的要求，或可能需要形成與此類集流體的電連接。
一類候選的互連器和集流體是金屬箔。此類箔在25微米或更薄的厚度下可用，這使得它們適合用于極薄的電池中。還可尋求具有低表面粗糙度及低污染的此類箔，這兩個因素對于電池性能可為重要的。箔可包括鋅、鎳、黃銅、銅、鈦、其他金屬以及各種合金。
模塊化的電池部件
在一些示例中，可根據本發明的一些方面和示例來形成模塊化的電池部件。在這些示例中，模塊化電池組件可為與生物醫療裝置的其他部分分開的部件。在眼科接觸鏡片裝置的示例中，此類設計可包括與介質插入件的其余部分開的模塊化電池。可存在形成模塊化電池部件的許多優點。例如，在接觸鏡片的示例中，模塊化電池部件可以在單獨的、非集成的工藝中形成，這可以緩解處理剛性的、三維成型的光學塑料部件的需要。此外，制造的來源可更加靈活，并且可與生物醫療裝置中的其他部件的制造以更并行的模式進行。另外，模塊化電池部件的制造可脫離三維(3d)成形裝置的特性。例如，在需要最終為三維形式的應用中，可以將模塊化的電池系統制成扁平或大致二維(2d)的透視圖，然后成形為適當的三維形狀。由于電池部件可在組裝之前進行分類，所以模塊化電池部件可獨立于生物醫療裝置的其余部分進行測試，并產生損耗。所得的模塊化電池部件可用于各種介質插入件構造中，這些構造不具有可于其上形成電池部件的合適剛性區，并且在另一個示例中，模塊化電池部件的使用可有利于使用不同選項的制造技術而非原本使用的技術，諸如基于幅材的技術(卷對卷)，基于片材的技術(片對片)、印刷、平版印刷以及“刮壓”處理。在模塊化電池的一些示例中，此類裝置的離散容納方面可導致附加的材料被添加到整個生物醫療裝置構造。當可用空間參數需要最小化的溶液厚度或體積時，此類影響可設定模塊化電池溶液的使用限制。
電池形狀要求可至少部分地由將使用該電池的應用決定。傳統的電池形狀因數可為圓柱形形狀或矩形棱柱形狀，它們由金屬制得，并且可適用于需要大量電能持續長時間的產品。這些應用可足夠大，使得它們可包括大形狀因數電池。在另一個示例中，平面(2d)固態電池是通常在不可撓曲的硅或玻璃上形成的薄的矩形棱柱形狀。在一些示例中，這些平面固態電池可使用硅晶片加工技術形成。在另一種類型的蓄電池形狀因數中，可用薄箔或塑料來容納電池化學物質形成小袋構造的小功率、柔性電池。這些電池可被制成扁平(2d)的，并且可被設計成在彎曲至適度的平面外(3d)曲率時起作用。
在本發明中電池可用于可變光學鏡片的電池應用的一些示例中，其形狀因數可需要電池部件具有三維曲率，其中曲率半徑可為大約8.4mm。此類曲率的性質可被視為相對陡峭，并且作為參考可近似于在人指尖上發現的曲率類型。相對陡峭的曲率性質給制造帶來了挑戰。在本公開的一些示例中，模塊化電池部件可被設計成使得其可以扁平、二維的方式來制造，然后形成相對高曲率的三維形式。
電池模塊厚度
在設計用于生物醫療應用的電池部件時，可在各種參數中進行權衡，以平衡技術、安全性及功能的需求。電池部件的厚度可為重要的限制性參數。例如，在光學鏡片應用中，裝置可被用戶舒適佩戴的能力關鍵取決于整個生物醫療裝置的厚度。因此，將電池設計得更薄是關鍵、有利的方面。在一些示例中，電池厚度可由頂片和底片、隔離片的組合厚度以及粘合劑層厚度確定。實際制造方面可使膜厚度的某些參數達到可用片材原料的標準值。此外，膜可具有最小厚度值，所述最小厚度值可基于涉及化學相容性、不透濕性/不透氣性、表面光潔度以及與可沉積在膜層上的涂層的相容性的技術考慮來指定。
在一些示例中，精加工電池部件的期望或目標厚度可為小于220μm的部件厚度。在這些示例中，該期望厚度可由示例性眼科鏡片裝置的三維幾何結構決定，其中該電池部件可需要適配在由滿足終端用戶舒適度、生物相容性以及可接受約束條件的水凝膠鏡片形狀限定的可用體積內。該體積及其對電池部件厚度需求的影響可根據裝置總厚度規格以及涉及裝置寬度、錐角和內徑的裝置規格而變化。所得電池部件設計的另一個重要設計考慮可涉及相對于可由該設計產生的所得化學能，在給定電池部件設計中活性電池化學物質與材料的可用體積。然后該所得化學能可針對功能性生物醫療裝置的電氣需求對其目標壽命和工作條件進行平衡。
電池模塊的柔性
與電池設計和使用基于電池的能量源的相關裝置的設計有關的另一方面是電池部件的柔性。柔性電池形式可賦予許多優點。例如，柔性電池模塊可有助于前面提及的以二維(2d)扁平形式制造電池形式的能力。形式的柔性可允許二維電池隨后被形成到適當的3d形狀中，以適配在生物醫療裝置諸如接觸鏡片中。
在可由電池模塊中的柔性賦予的益處的另一個示例中，如果電池和之后的裝置為柔性的，則存在裝置使用方面的優勢。在一個示例中，接觸鏡片形式的生物醫療裝置可有利于基于介質插入件的接觸鏡片的插入/移除，這可更接近標準的、非填充型水凝膠接觸鏡片的插入/移除。
撓曲的次數對電池的工程改造可為重要的。例如，可僅從平面形式到適于接觸鏡片的形狀撓曲一次的電池可與能夠進行多次撓曲的電池具有明顯不同的設計。電池的撓曲不僅僅是能夠機械性地進行撓曲。例如，電極可物理上能夠在不破裂的情況下撓曲，但電極的機械和電化學特性可能因撓曲而改變。撓曲引起的變化可立刻顯現，例如阻抗的改變，或者撓曲也可引起僅在長期儲存壽命測試中顯現的變化。
電池模塊寬度
可存在可利用本公開的生物相容性通電元件或電池的多種應用。一般來講，電池寬度要求可在很大程度上取決于其所施加的應用。在示例性情況下，接觸鏡片電池系統對模塊化電池部件的寬度可具有限制的規格要求。在具有由電池部件供電的可變光學功能的眼科裝置的一些示例中，裝置的可變光學部分可占據直徑約7.0mm的球形中心區。示例性電池元件可被視為三維物體，它作為環狀的錐形裙邊圍繞中心光學件適配并被形成到截短的錐形環中。如果剛性插入件的所需最大直徑為8.50mm的直徑，并可標出與某一直徑球體(例如直徑為大約8.40mm)相切，然后該幾何構造可確定所允許的電池寬度是多少。可存在可用于計算所得幾何結構的所需規格的幾何模型，所述幾何結構在一些示例中可被稱為壓入環帶扇形的錐形截頭。
扁平電池的寬度可由電池元件的兩個特征結構：有源電池部件寬度和密封件寬度決定。在涉及眼科裝置的一些示例中，每個面的目標厚度可介于0.100mm和0.500mm之間，有源電池部件的目標寬度可為大約0.800mm。其他生物醫療裝置可有不同的設計約束，但用于柔性扁平電池元件的原理可以相似方式應用。
電池元件的內部密封件
可能重要的示例是，聚合物電解質電池結合延遲或阻止濕氣或其它化學品運動進入到電池主體中的密封機構。可設計防潮層來使內部濕氣水平保持在設計的水平，在一定公差范圍內。在一些示例中，防潮層可劃分為兩個區段或部件；即包裝件和密封件。聚合物電解質可具有固有的優點，即，從外部區到聚合物電解質中的任何濕氣泄漏都可能具有極小影響，并且在一些示例中可甚至改善電池性能。因此，對于聚合物電解質電池，封裝要求的重要性可固有地降低。
然而，包裝件可以是指殼體的主材料。在此類示例中，包裝件可包含塊體材料。水蒸氣傳輸速率(wvtr)可為一項性能指標，結合iso、astm標準控制測試程序，包括測試期間的環境條件操作水平。理想的是，良好電池包裝件的wvtr可為“零”。wvtr接近0的示例性材料可為玻璃或金屬箔。另一方面，塑料對濕氣可為固有多孔的，并且不同類型的塑料可顯著不同。工程化材料、層合物或共擠出物可通常為常用包裝件材料的混合物。
密封件可為兩個所述包裝表面之間的界面。密封表面的連接整飾殼體連同包裝件。在許多示例中，密封設計的性質可因為在采用iso或astm標準進行測量時由于樣品尺寸或表面積與這些測試過程不兼容而存在困難，所以難以對密封件的wvtr進行表征。在一些示例中，測試密封完整性的實際方法可為針對一些限定條件進行的實際密封設計的功能性測試。密封性能可根據密封材料、密封厚度、密封長度、密封寬度以及對包裝件基底的密封粘附性或緊密性而不同。
在一些示例中，密封件可通過焊接法形成，這可涉及熱處理、激光處理、溶劑處理、摩擦處理、超聲波處理或電弧處理。在其他示例中，密封件可通過使用粘合密封劑形成，諸如膠、環氧樹脂、丙烯酸類樹脂、天然橡膠和合成橡膠。可通過使用墊圈型材料來推導出其它示例，所述墊圈型材料可由軟木、天然和合成橡膠、聚四氟乙烯(ptfe)、聚丙烯、和有機硅等多種非限制性示例形成。
在一些示例中，可將根據本發明的電池設計成具有指定的工作壽命。工作壽命可通過測定濕氣滲透的實際量來估算，濕氣滲透的實際量可用特殊電池系統獲得，然后估算這種濕氣泄漏可何時造成電池壽命結束狀況。
生物相容性電池模塊中的附加包裝件和基底因素
可存在多種包裝和基底因素以決定生物相容性層狀微電池中使用的包裝設計的所需特性。例如，封裝可能有利地主要基于箔和/或膜，其中這些封裝層可盡可能薄，例如10微米至50微米。此外，封裝可在儲存壽命期間提供針對濕氣獲取或損失的足夠擴散阻隔。在許多可取的示例中，封裝件可對氧氣侵入提供足夠的擴散阻隔，以限制鋅陽極通過直接氧化而降解。
在一些示例中，封裝件可提供有限的供氫氣透過的路徑，氫氣可由于鋅直接還原水而釋放。并且，封裝件可有利地充分容納以及隔離電池的內容物，使得暴露給用戶的電勢可最小化。
在本發明中，封裝構造可包括以下類型的功能部件：頂部和底部封裝層、壓敏粘合劑(psa)層、隔層、互連區、填充端口以及二次封裝。
在一些示例中，頂部和底部封裝層可包括金屬箔或聚合物膜。頂部和底部封裝層可包括包含多個聚合物和/或阻隔層的多層膜構造。此類膜構造可稱為共擠出阻隔層合膜。特別用于本發明中的市售共擠出阻隔層合膜的一個示例可為
在包括psa的設計構造中，封裝層表面粗糙度可尤其重要，因為psa還可能需要密封相對的封裝層表面。表面粗糙度可由用于生產箔和膜制備的制造過程產生，例如，采用軋制、擠出、壓印和/或壓延等的過程。如果表面太粗糙，當所需psa厚度可為大約表面粗糙度ra(粗糙度輪廓的算術平均值)時，psa可能不能以均一厚度施加。此外，如果相對面具有的粗糙度可為大約psa層的厚度，則psa不能抵靠相對面充分密封。在本發明中，表面粗糙度ra小于10微米的封裝材料可以是可接受的示例。在一些示例中，表面粗糙度值可為5微米或更小。并且，在另外的示例中，表面粗糙度可為1微米或更小。表面粗糙度值可通過多種方法測量，包括但不限于諸如白光干涉法、觸針式輪廓儀等測量技術。在表面計量學領域可存在許多示例，表面粗糙度可通過許多另選參數來描述，并且本文所討論的平均表面粗糙度(ra)值可旨在代表上述制造過程中固有的特征結構類型。
集流體和電極
在鋅-碳電池和勒克朗謝電池的一些示例中，陰極集流體可為燒結碳棒。這種類型的材料在本發明的薄電化學電池中可能面臨技術障礙。在一些示例中，印刷的碳墨可用在薄電化學電池中以替代用于陰極集流體的燒結碳棒，并且在這些示例中，所得的裝置可在不顯著損害所得的電化學電池的情況下形成。通常，所述碳墨可直接施加到可包括聚合物膜或在一些情況下可包括金屬箔的封裝材料。在其中封裝膜可為金屬箔的示例中，碳墨可能需要保護下面的金屬箔免受電解質的化學降解和/或腐蝕。此外，在這些示例中，碳墨集流體可能需要提供從電化學電池內部到電化學電池外部的導電性，這意味著圍繞碳墨或穿過碳墨進行密封。由于碳墨的多孔性，在沒有巨大挑戰的情況下這不是能輕易實現的。碳墨還可應用于具有有限且相對小厚度例如10微米至20微米的層。在其中總內部包裝件厚度可僅為約100微米至150微米的薄電化學電池設計中，碳墨層的厚度可占據電化學電池的總內部體積的相當大一部分，從而不利地影響電池單元的電氣性能。此外，整個電池，特別是集流體的薄特性可意指集流體的小橫截面積。由于跡線的電阻隨跡線長度而增加并隨橫截面積而減少，所以可直接在集流體厚度和電阻之間進行權衡。碳墨的本體電阻率可不足以滿足薄電池的電阻要求。同樣還考慮了填充有銀或其他導電金屬的油墨，以降低電阻和/或厚度，但是它們可引入新挑戰，諸如與新型電解質不相容。鑒于這些因素，在一些示例中，可能需要通過將薄金屬箔用作集流體來實現本發明的高效且高性能的薄電化學電池，或者可能需要將薄金屬膜施加到下面的聚合物封裝層來充當集流體。此類金屬箔可具有顯著更低的電阻率，因此允許它們以比印刷碳墨小得多的厚度滿足電阻要求。
在一些示例中，頂部和/或底部封裝層中的一者或多者可用作濺鍍集流體金屬或金屬疊堆的基底。例如，
在一些其它示例中，頂部和/或底部封裝箔還可用作集流體。例如，25微米的黃銅箔可用作鋅陽極的陽極集流體。黃銅箔可任選地在電鍍鋅之前電鍍銦。在一個示例中，陰極集流體封裝箔可包含鈦箔、哈氏合金c-276箔、鉻箔和/或鉭箔。在某些設計中，可對一個或多個封裝箔進行精沖、壓印、蝕刻、紋理處理、激光加工、或以其它方式加工，以為成品電池單元封裝提供所需的形狀、表面粗糙度和/或幾何結構。
陰極混合物
可存在與本發明的概念一致的許多陰極化學混合物。在一些示例中，可為用于形成電池陰極的化學制劑的術語的“陰極混合物”，可以糊劑、凝膠、懸浮液或漿料施加，并且可包括過渡金屬氧化物諸如二氧化錳、一些形式的導電添加劑例如可為導電粉形式諸如炭黑或石墨，以及水溶性聚合物諸如聚乙烯吡咯烷酮(pvp)或一些其他粘結劑添加劑。在一些示例中，可包括其他組分，諸如一種或多種粘結劑、電解質鹽、抗蝕劑、水或其他溶劑、表面活性劑、流變改性劑，以及其他導電性添加劑諸如導電聚合物。一旦配制并適當混合后，陰極混合物可具有所需的流變特性，該流變特性允許它被分配到分隔體和/或陰極集流體的所需部分上，或者以類似的方式刮壓通過篩網或孔板。在一些示例中，陰極混合物可在用于稍后電池組裝步驟之前干燥，而在其他示例中，陰極可包含一些或所有電解質組分，并且可僅部分地干燥至選定的濕氣含量。
過渡金屬氧化物可為例如二氧化錳。可用于陰極混合物中的二氧化錳可為例如電解二氧化錳(emd)，因為這種類型的二氧化錳相對于其他形式諸如天然二氧化錳(nmd)或化學二氧化錳(cmd)提供有益的附加比能量。此外，本發明的電池中可用的emd可需要具有可有利于形成可沉積或可印制陰極混合物糊料/漿料的粒度和粒度分布。特別地，該emd可被加工以去除可被認為相對于其他特征結構而言大的顯著大的顆粒組分，所述其他特征結構諸如電池內部尺寸、分隔體厚度、分配頂端直徑、孔板開口尺寸或篩網尺寸。粒度優化也可用于改善電池性能，例如內阻和放電容量。
研磨是通過壓碎、碾磨、切割、振動或其它工藝將固體材料從一個平均粒度減小至較小的平均粒度。研磨也可以用來將可用的材料從其可嵌入的基質材料中釋放，并濃縮礦物質。磨機是一種通過碾磨、壓碎、或切割將固體材料破碎成較小碎片的裝置。可存在用于研磨的若干裝置，并且多種類型的材料在其中加工。此類研磨裝置可包括：球磨機、砂磨機、研缽和研杵、滾壓機、以及噴射研磨機以及其他研磨另選方式。研磨的一個示例可為噴射研磨。研磨之后，固體狀態被改變，例如粒度、粒度分布和顆粒形狀。聚集體研磨工藝還可用于從聚集體去除或分離污染或濕氣以在輸送或結構填充之前制備“干燥填充物”。一些設備可組合各種技術以將固體材料分類為其粒度同時受最小粒度和最大粒度限制的顆粒混合物。此類處理可被稱為“分級器”或“分級”。
研磨可為用于陰極混合物成分的均一粒度分布的陰極混合物制備的一方面。陰極混合物中的均一粒度可有助于陰極的粘度、流變特性、導電性和其他特性。研磨可通過控制陰極混合物成分的附聚或質量集合而有助于以上特性。附聚—不同元素的聚集，就陰極混合物而言，不同元素可以是碳同素異形體和過渡金屬氧化物，附聚可通過留下空隙而不利地影響填充過程。
此外，過濾可為用于去除附聚的或不需要的顆粒的另一個重要步驟。不需要的顆粒可包括超大尺寸顆粒、污染物或制備過程中未明確說明的其他顆粒。可通過諸如濾紙過濾、真空過濾、層析、微濾以及其他過濾方式的方式完成過濾。
在一些示例中，emd的平均粒度可為7微米，帶有可包含顆粒高達約70微米的大顆粒內容物。在另選的示例中，該emd可被過篩，進一步研磨或以其他方式分離或加工，以將大顆粒內容物限制到低于特定閾值，例如25微米或更小。
陰極還可包含二氧化銀或羥基氧化鎳。此類材料相對于二氧化錳可提供增大的容量和在放電期間更少的負載電壓減小，兩者均為電池中所需的性質。基于這些陰極的電池可具有存在于行業和文獻中的現有示例。采用二氧化銀陰極的新型微電池可包括生物相容性電解質，例如由氯化鋅和/或氯化銨構成而不是由氫氧化鉀構成的電解質。
陰極混合物的一些示例可包括聚合物粘結劑。該粘結劑可在陰極混合物中用作若干功能。粘結劑的主要功能可為在emd顆粒與碳顆粒之間形成足夠的顆粒間電網絡。粘結劑的第二功能可為促進與陰極集流體的機械粘附和電接觸。粘結劑的第三功能可為影響陰極混合物的流變性質以有利地分配和/或漏印/篩選。另外，粘結劑的第四功能可為增強陰極內的電解質吸收和分布。
粘結劑聚合物的選擇以及將使用的量對于本發明的電化學電池中的陰極的功能可為有益的。如果粘結劑聚合物在將使用的電解質中溶解度很高，那么該粘結劑的主要功能(電連續性)可受到極大影響，最終導致電池喪失功能。相反，如果粘結劑聚合物在將使用的電解質中不可溶，那么emd的部分可與電解質離子絕緣，從而導致電池性能下降，諸如容量減小、開路電壓降低和/或內電阻增大。
粘結劑可以是疏水性的，其也可以是親水性的。可用于本發明的粘結劑聚合物的示例包括pvp、聚異丁烯(pib)、橡膠三嵌段共聚物(包括苯乙烯末端嵌段，諸如由kratonpolymers制造的那些嵌段共聚物)、苯乙烯-丁二烯乳膠嵌段共聚物、聚丙烯酸、羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、氟碳固體諸如聚四氟乙烯等。
溶劑可為陰極混合物的一種組分。溶劑可用于潤濕陰極混合物，這可有助于混合物的顆粒分布。溶劑的一個示例可為甲苯。另外，表面活性劑也可用于潤濕，從而分散陰極混合物。表面活性劑的一個示例可為洗滌劑，諸如tritontmqs-44。tritontmqs-44可有助于離解陰極混合物中的聚集成分，使得陰極混合物成分更均一地分布。
導電性碳通常可用于陰極的制備。碳能夠形成許多同素異形體，或不同的結構修改。不同的碳同素異形體具有不同的物理特性，從而允許改變導電性。例如，炭黑的“彈性”可有助于陰極混合物粘附到集流體。然而，在需要相對低能量的通電元件中，導電性中的這些變化可能相比于其他有利特性較不重要，諸如密度、粒度、導熱性和相對均勻性等。碳同素異形體的示例包括：金剛石、石墨、石墨烯、無定形碳(俗稱炭黑)、巴克球、玻璃碳(也稱為玻璃態碳)、碳氣凝膠以及能夠導電的其他可能形式的碳。碳同素異形體的一個示例可為石墨。
一旦陰極混合物已被配制和處理，可將陰極混合物分配、施用和/或儲存到表面諸如水凝膠分隔體或陰極集流體上，或體積諸如層狀結構中的腔體中。填充到表面上可導致體積隨時間推移而被填滿。為了施用、分配和/或儲存該混合物，可期望一定流變特性以優化分配、施用和/或儲存過程。例如，較低粘度的流變特性可允許更好地填充腔體，但同時可能犧牲顆粒分布。較高粘度的流變特性可允許優化顆粒分布，同時可能降低填充腔體的能力，并可能喪失導電性。
陽極和陽極抗蝕劑
本發明的層狀電池的陽極可例如包含鋅。在傳統的鋅碳電池中，鋅陽極可采用殼的物理形式，在該殼中可容納電化學電池的內容物。對于本發明的電池而言，鋅可為一個示例，但也可存在可有效實現超小電池設計所需的其它物理形式的鋅。
鋅電鍍是許多工業應用中使用的工藝類型，例如用于金屬部件的保護性或美觀性涂覆。在一些示例中，電鍍鋅可用于形成本發明的電池中所用的薄且適形的陽極。此外，電鍍鋅可根據設計意圖被圖案化成許多不同的構型。用于圖案化電鍍鋅的一種簡單方式可為使用光掩模或物理掩模處理。就光掩模而言，可將光致抗蝕劑施加到導電基底，所述基底上可隨后被鍍鋅。所需的電鍍圖案然后可通過光掩模被投射到光致抗蝕劑，從而導致光致抗蝕劑的所選區域的固化。可利用合適的溶劑和清潔技術來去除未固化的光致抗蝕劑。結果可為導電材料的可接收電鍍鋅處理的圖案化區域。雖然該方法可為待鍍覆的鋅的形狀或設計提供有益效果，但該途徑可能需要使用可用的可光圖案化材料，這些材料可具有對于總體電池單元包裝件構造受限的特性。因此，可能需要用于圖案化鋅的新穎和新型方法來實現本發明的薄微電池的一些設計。
圖案化鋅陽極的一種另選方式可為采用物理掩模應用。可通過在具有所需阻隔和/或封裝特性的膜中切割所需的孔來制作物理掩模。另外，膜可具有施加到其一側或兩側上的壓敏粘合劑。最后，膜可具有施加到一側或兩側的粘合劑上的保護性剝離襯件。該剝離襯件可起到如下雙重目的：在孔切割期間保護粘合劑以及在電化學電池組裝的具體加工步驟期間，特別是陰極填充步驟期間保護粘合劑。在一些示例中，鋅掩模可包括約100微米厚的pet膜，可在所述pet膜的兩側施加約10-20微米層厚度的壓敏粘合劑。兩個psa層可被具有低表面能表面處理的pet剝離膜覆蓋，并且可具有50微米的近似厚度。在這些示例中，多層鋅掩模可包括psa和pet膜。如本文所述的pet膜和pet/psa鋅掩模構造可有利地用精密納秒激光微加工設備諸如牛津激光e系列激光微加工工作站處理，以在掩模中形成超精密孔從而有利于稍后的電鍍。大體上，一旦已制成鋅掩模，便可移除剝離襯件的一側，并且可將具有孔的掩模層合至陽極集流體和/或陽極側封裝膜/箔。這樣，psa在孔的內邊緣處形成密封，從而在電鍍期間促進對鋅的清潔和精確掩蔽。
可放置鋅掩模，然后可對一種或多種金屬材料進行電鍍。在一些示例中，鋅可被直接電鍍到電化學相容的陽極集流體箔諸如黃銅上。在其中陽極側封裝包括其上已施加有晶種金屬材料的聚合物膜或多層聚合物膜的另選設計示例中，鋅和/或用于沉積鋅的鍍覆解決方案可不與下層的晶種金屬材料在化學上相容。缺乏相容性的表現可包括膜開裂、腐蝕和/或在與電池電解質接觸時加劇的h2釋放。在這種情況下，可將附加的金屬施加到晶種金屬，以在系統中實現更好的整體化學相容性。尤其適用于電化學電池構造的一種金屬可為銦。銦可作為電池級鋅中的合金劑而被廣泛使用，其主要功能是在電解質的存在下為鋅提供抗腐蝕性。在一些示例中，銦可被成功地沉積在各種晶種金屬化材料諸如ti-w和au上。所述晶種金屬化層上所得的1-3微米銦膜可為低應力和低粘附性的。這樣，陽極側封裝膜以及具有銦頂層的附接的集流體可為適形且耐用的。在一些示例中，可將鋅沉積在經過銦處理的表面上，所得的沉積物可能非常不均一且為結節狀的。這種效應可出現在較低電流密度設置中，例如20安每平方英尺(asf)。如在顯微鏡下所觀察到的，可觀察到鋅的結節形成在下面的平滑銦沉積物上。在某些電化學電池設計中，鋅陽極層的豎直空間裕量可至多達約5-10微米厚，但在一些示例中，較低電流密度可用于鋅電鍍，并且所得的結節狀生長物可生長得高于所需的最大陽極豎直厚度。結節狀鋅生長桿狀物可來自銦的高的超電勢與銦氧化物層的存在的組合。
在一些示例中，較高電流密度dc電鍍可克服鋅在銦表面上的相對較大結節狀生長模式。例如，100asf電鍍條件可產生結節狀鋅，但是與20asf的電鍍條件相比，鋅結節的尺寸可明顯減小。此外，在100asf電鍍的情況下結節數量可大大增加。當滿足約5-10微米的垂直空間裕量時，所得的鋅膜可最終聚結成大體均勻的層，僅有一些殘留的結節狀生長特征結構。
電化學電池中包含銦的另一個益處可為減少h2的形成，這可為發生在包含鋅的水性電化學電池中的緩慢過程。可將銦有利地施加到一個或多個陽極集流體上，所述陽極本身作為共電鍍合金部件或作為電鍍鋅上的表面涂層。對于后一種情況，銦表面涂層可有利地通過電解質添加劑諸如三氯化銦或醋酸銦原位施加。當此類添加劑可以小濃度添加到電解質中時，銦可自發地電鍍到暴露的鋅表面以及暴露的陽極集流體部分上。
商業一次電池中常用的鋅和類似陽極可通常以片材、棒材和糊劑形式出現。微型生物相容性電池的陽極可具有類似形式例如薄箔，或可如前所述進行電鍍。此陽極的特性可與現有電池中的陽極明顯不同，這是因為機械加工和電鍍過程所造成的污染物或表面光潔度的差異。因此，電極和電解質可需要進行特殊的工程改造以滿足容量、阻抗和儲存壽命要求。例如，可能需要特殊的鍍覆工藝參數、鍍槽組合物、表面處理以及電解質組合物來優化電極性能。
聚合物電解質與分隔體
可存在符合聚合物電池系統的多種不同類型的電解質制劑。在第一類示例中，電解質可被稱為
聚合物電解質。在聚合物電解質系統中，聚合物主鏈具有變為參與到離子的傳導機構中的區。而且，聚合物主鏈的這些區還促進鹽離子溶解到電解質本體中。一般來講，電解質本體中溶解離子的較高含量可得到更好的電池性能特性。可存在用于形成聚合物電解質系統的聚合物主鏈的多種聚合物和共聚物系統。在非限制性示例中，聚環氧乙烷(peo)可為常用聚合物成分。系統的離子傳導性可在較高工作溫度條件下改善，但在室溫工作條件下可相對較差。在一些示例中，聚合物電解質的片材形式可被形成為包括離子物類的存在。可使用高溫層合加工將片材形式施加至電極。在其它示例中，可將電解質制劑涂覆在電極表面上。這些加工選項中的每一者都可用于增強電解質到電極的粘結，而在其它加工條件下可通常導致不良粘附。
在另一類示例中，可在聚合物電解質電池系統中使用增塑聚合物電解質。可存在可用于形成增塑聚合物電解質的許多聚合物系統，包括，作為非限制性示例，peo、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)和聚(氯乙烯)、以及其它聚合物系統。所選擇的聚合物主鏈構建其中可結合有溶劑和離子溶質系統的二維或三維基質。溶劑系統與溶解離子物類的結合使聚合物電解質“增塑”。與第一類聚合物電解質系統不同，增塑聚合物電解質系統的主鏈可不參與到跨電解質的離子輸送中。溶劑的存在是與第一類聚合物電解質系統的另一差別，并且不用于促進離子傳送。在一些示例中，出于這些原因，電池結構的離子輸送以及相關的離子傳導性在增塑聚合物電解質系統中可能較高。在一些示例中，增塑聚合物電解質系統的基質可改善與形成在電解質與其相鄰層之間的界面相關的特性。與第一類聚合物電解質一樣，增塑聚合物電解質系統可在高溫條件下層合以改善對電極的粘附。
在一個示例中，用于與聚(偏二氟乙烯)(pvdf)聚合物或聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(pvdf-hfp)共聚物電極構件組合物一起使用的增塑劑為丙二醇碳酸酯(pc)。該增塑劑的有效比例可不僅僅取決于所需基質聚合物自身的特性。所述有效比例還可受到組合物中其它組分的量和特性的嚴重影響，這些特性諸如有效電極材料的體積和粒度。例如，在包含pvdf-hfp的正極制劑中pc的有效量可在電極基質聚合物組分的約60重量％至300重量％之間變化。因此，鑒于可調節的多種組合物變量，任何制劑中的增塑劑量可在相當廣的有效量范圍內以經驗確定，并且可取決于使用條件或經測試的電氣結果。
在另一示例性類別的電解質系統中，凝膠電解質系統可為在聚合物電解質電池中使用的另一類型的電解質系統。凝膠是一種具有與硬化聚合物網絡不同的特性的聚合產物。凝膠由牢固的三維網絡組成。該網絡通常由支鏈單體的共聚形成。該三維網絡跨一定體積的液體并通過表面張力效應將液體粘結在原位。可存在可形成凝膠電解質系統的多種聚合物系統，諸如pmma、聚丙烯腈(pan)、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(pvdf-hfp)以及多種其它示例。凝膠電解質通常可表現出高離子傳導性。可使用高溫層合來以良好的粘附特性將凝膠聚合物電解質附連至電極表面。在高溫層合加工之后，可將電解質組合物添加至附接的凝膠聚合物背景，跟海綿吸收液體組合物非常像。
在聚合物電解質電池的示例中可使用各類聚合物電解質層。考慮到包括某種類型的陽極材料的系統，在電解質中可包含適合用于使陽極材料輸送離開陽極的離子，因為電解質是稍后形成或在一些示例(諸如凝膠聚合物電解質系統)中添加的。每種所述類別的聚合物網絡形成還可充當電池的分隔體的層。
在一個示例中，聚合物電解質/分隔體膜可通過使用常用旋涂設備將涂料組合物的一部分澆鑄到拋光硅晶片上來制備，該常用旋涂設備以所需速度諸如600rpm運行所需時間諸如2s以獲得所需厚度和均勻度的膜。膜可在涂敷設備的范圍內在室溫下干燥適當時間諸如約10分鐘。涂料組合物可通過以下方式制備：將約380x103mwkynarflex2801的約1.5g的88:12vdf:hfp共聚物懸浮在約9g的無水四氫呋喃(thf)中，并向該混合物添加醋酸鋅或其它適當電解質鹽的約1.5g的1m溶液，形成碳酸亞乙酯(ec)與丙二醇碳酸酯(pc)的重量比為1:1的混合物。可對完成的混合物加熱一定時間段(諸如30分鐘)至升高的溫度，諸如約60℃，以有利于溶解。對溶液的偶爾攪拌可有助于保持溶液的流動性。所得的膜可用作根據多個示例的聚合物電解質膜以用于形成本討論中所展示的電池單元。
在一些示例中，可能有用的是，構建由聚合物主鏈制成的多孔薄膜，該多孔薄膜隨后用電解質浸漬。在非限制性示例中，澆鑄溶液可通過以下方式形成：將大約二比一比率的聚(偏二氟乙烯)(pvdf)和聚(二甲基硅氧烷)(pdms)混合到包含n-n二甲基乙酰胺(dmac)和甘油的溶劑混合物中。dmac與甘油的比率可改變并且可影響所得分隔層的特性諸如孔隙率。過量的溶劑混合物可用于允許所得的層收縮在腔體中以形成薄分隔體層。所得的溶液可澆鑄在電解質上、輥軋成片材、或者在一些示例中擠出成一定形狀。分配澆鑄溶液的其它方式可與本文所述的工藝相一致。然后，可將結構在室溫水浴中浸沒20-40小時，以允許甘油析出分隔體層并得到具有所需孔隙率的層。然后可用包含適當溶劑(諸如水)和電解質(諸如鋅基鹽)的溶液浸漬聚合物電解質層。
另一種制備包含聚合物電解質的電池單元的方式可能是從凝膠聚合物諸如上述基于pvdf的系統開始的，所述聚合物電解質具有用于已結合的電解質的孔。可用受熱的雙輥層合裝置在約110℃以及約10kg/cm輥壓力下將電極層合至聚合物電解質。在冷卻之后，可將層合的電池單元結構浸沒在適當的溶劑中以提取電極相關的增塑劑。在一些示例中，溶劑可包含丙酮、乙醚或nmp。然后可將所得的結構風干，直至表面溶劑蒸發，然后可將該結構在升高的溫度諸如約70℃下在循環空氣烘箱中放置一小時左右，以繼續去除溶劑、濕氣和殘余增塑劑。此加工可得到粘結良好的工件，然后可在氦氣氣氛中將所述工件連同一定量的電解質諸如溶解在適當溶劑中的鋅鹽包裝在氣密地密封的多層箔/聚合物包封件中。溶劑和電解質可擴散到微孔薄膜中并用導電電解質浸漬微孔薄膜。
另一種制備包含聚合物電解質的電池單元的方式可能是從可商購獲得的微孔分隔體薄膜開始的，所述聚合物電解質具有用于已結合的電解質的孔。層合的電化學電池單元可通過將包括陰極和陽極的電極分別連同可包含電解質的celgard2300微孔分隔體組裝在一起來制備。可用受熱的雙輥層合裝置在約110℃以及約10kg/cm輥壓力下將電極層合至分隔體。
通電元件-聚合物電解質的示例性所示加工
參見圖4a至圖4f，展示了包含某種類型的聚合物電解質的聚合物電解質電池的加工。可以各種方式和順序加工待形成的各種層，但作為示例，過程可在圖4a中始于獲得陰極集流體410。在一個示例中，可將鋅金屬的薄箔或膜用于陰極集流體。為了有助于粘附陰極層，可執行表面處理以將涂層415添加至鈦箔的表面。在非限制性示例中，處理可為碳涂層，諸如美國新澤西州克利夫頓lamart公司(lamartcorporation,clifton,nj,usa)提供的碳涂層。在一些示例中，鈦箔區可保留不處理，以形成陰極觸點416。在其它示例中，整個箔可被處理以添加涂層，并且涂層可在稍后的步驟中移除以暴露陰極觸點416。
接下來，在圖4b中，可將陰極混合物添加在涂層上以形成陰極420。可以由多種方式來添加涂層，包括噴涂、印刷、以及用橡皮掃帚或刀刃型層疊工藝來沉積。在刀刃層疊中，可將一定量的陰極混合物沉積在刀刃后方，并同時沿陰極層拖拽刀刃，從而得到具有均一厚度的受控層。在一些其它示例中，可通過將陰極材料電沉積在電流導體上來形成陰極。
完成的陰極混合物制劑的一個示例可以如下方式形成。
可將由經hosikowa氣流粉碎的88％erachemmno2粉末構成的陰極粉末共混物與superpli炭黑組合以形成5％組合物，并且與kynar2801pvdf組合以形成7％組合物。可將一定量的醋酸鋅溶解在nmp中，使得當與陰極粉末共混物混合時，醋酸鋅的量為醋酸鋅質量與pvdf質量的比率為1:10。在混合時，所得的漿料可懸浮在nmp中，并且nmp的這個量形成含27％固體的制劑。
所得的漿料可用磁力攪拌棒在諸如大約400rpm的速率下混合10小時至20小時。可對混合漿料脫氣。可用thinkyare-250行星式離心混合器在2000rpm下約2分鐘來進行脫氣。
接下來，可用刮粉刀將漿料施加成約30微米至80微米的厚度。可在12.5微米厚的i級鈦箔片材上進行漿料沉積，所述鈦箔為諸如可購自阿諾德磁性材料公司(arnoldmagnetics)的鈦箔，并且可涂覆有1微米至3微米厚的碳層。鈦箔上的陰極涂層可在受熱的實驗室烘箱中干燥數小時，諸如18小時至24小時的時間段，在該烘箱中，溫度可例如為50℃。
生物醫療裝置中陰極混合物的配制和加工的進一步實現可見于2015年6月22日提交的美國專利申請14/746,204中所述，該專利申請以引用方式并入本文。
接下來，在圖4c中，可將聚合物電解質430添加至生長的結構。如所提及，可存在多種類型和類別的可施加的聚合物電解質。在一個示例中，凝膠聚合物可由含30重量％醋酸鋅的kynar2801構成。可將該混合物加入到包含36％dmso和64％nmp的溶劑共混物中。然后可使用刮粉刀將該溶液施加到陰極。可將所得的涂層在高溫環境中干燥。在一個示例中，可在實驗室烘箱中在大約50℃下執行干燥持續數小時諸如3小時至6小時。在一些示例中，可在甚至更高的溫度諸如100℃下執行進一步干燥步驟持續一定時間諸如1小時。可多次重復這個涂覆過程以實現目標厚度。
可存在多種方式來施加聚合物電解質層，諸如通過噴涂、印刷或橡皮掃帚或刀刃層疊。這里，同樣可干燥沉積的層以去除一定量的溶劑。
參見圖4d，可將鋅陽極440施加到聚合物電解質層。生物醫療裝置中陽極的配制和加工的進一步實現可見于2015年8月6日提交的美國專利申請14/819,634中所述，該專利申請以引用方式并入本文。
在一些示例中，聚合物電解質的表面層可具有被再次施加以有助于聚合物電解質與陽極層之間的粘結的附加量的溶劑或聚合物電解質。在其它示例中，粘結過程可在不再次施加溶劑或聚合物電解質的情況下進行。可存在多種方式來施加鋅陽極；然而，在一個示例中，可將鋅箔層合至聚合物電解質。在一些示例中，層合過程將在排空被施加區周圍的氣相的同時施加熱量和壓力。可在不顯著影響聚合物結構的溫度和壓力水平下，在受熱的壓力輥之間進行電極與已涂敷的聚合物電解質的層合。例如，可在介于70℃和130℃之間，優選地在介于100℃和125℃之間，更優選地在約110℃下，進行層合。在一些示例中，壓力可為介于約20千克每厘米和180千克每厘米(kg/cm)之間、優選地介于約55kg/cm和125kg/cm之間的線性壓力負載。可能明顯的是，最佳的溫度和壓力條件將取決于具體的層合機構造以及其使用模式。
在一些示例中，可以圖4a至圖4c中所述的方式加工材料卷，然后可在圖4d所涉及的熱真空層合過程中將材料卷層合在一起。這種加工可被稱為卷到卷制造工藝。
參見圖4e，可在將對結構進行干燥的熱處理450中對所得的聚合物電解質電池裝置退火。在一些示例中，熱處理還可改善集流體、陰極、電解質和陽極之間新形成的界面處的特性。
形成的電池的功能以及其生物相容性可極大地取決于以將電池結構與其環境隔離并同時允許電池接觸封裝之外的裝置的方式封裝聚合物電解質電池結構。可使用如此前有關密封和封裝的部分中已討論的各種封裝方式來執行圖4f所示的封裝步驟460。
生物醫療裝置中陽極的配制和加工的進一步實現可見于2015年8月17日提交的美國專利申請14/827,613中所述，該專利申請以引用方式并入本文。
在一些示例中，可使用一對封裝膜來圍繞電池元件。這些膜可在各個位置預切割以暴露集流體觸點所在的區。然后，可使兩個膜圍繞電池元件并用密封件接合在一起。在一些示例中，密封件可通過對密封層進行熱處理以流入彼此之中并形成密封件的方式來形成。在其它相關示例中，可使用激光器來形成密封件。可存在其它密封材料，諸如膠水和粘合劑，其可添加在形成的密封件上以改善密封完整性。
可存在電池元件上執行的其它后處理。在其中對材料卷進行處理以形成封裝電池元件的示例中，后續工藝可從形成的所得片材分割出或切割出電池元件。可使用激光來切割出電池。在其它示例中，可使用模頭來沖壓出具有形狀特殊的切割表面的電池元件。如先前所提及，一些分割出的電池設計可為直線形，而其它設計可為曲線形狀，從而匹配例如接觸鏡片插入件的曲線。
聚合物電解質電池的示例性性能結果。
已使用關于圖4a至圖4f所述的加工示例形成了聚合物電解質電池的示例性樣本。參見圖5a至圖5d，提供了示例性樣本的特性測量結果。樣本被形成為具有5mm乘以1mm的總形狀因數以及大約135微米的厚度。對于特性測量數據，電池樣本的有效陽極面積為大約3x10-3cm2。在圖5a中，提供了示例性電池單元的放電特性。可觀察到電池單元電壓為大約1.3v的穩定性能，表示能量容量和電池單元壽命性能良好。在圖5b中，執行了示例性樣本的頻率特性測量，并且顯示了所得的“奈奎斯特”曲線圖。在圖5c和5d中，顯示了原始頻率特性。圖5c顯示了所獲得的阻抗與頻率結果。圖5d顯示了從示例性樣本測量的相位角與頻率結果。
針對聚合物一次電池的基于腔體的方法
基于腔體的層合方法可提供用于制造本文所述類型的聚合物電池的方法，該方法尤其可用于曲線形狀的電池。
基于腔體的裝置以及加工生物醫療裝置的進一步實現可見于2015年6月22日提交的美國專利申請14/746,160中所述，該專利申請以引用方式并入本文。
腔體可允許實現提供用于對準各加工步驟的對準標記的特征結構。此外，對于涉及刀刃層沉積的加工，存在對準的腔體可促進對化學品和箔的有效利用。層合結構還可支撐接觸膜，無論此類膜針對具體電池設計的厚度如何。
用于形成腔體的合物層還可在多個步驟中經受沖壓型分割。例如，可用沖頭切割出電池元件周圍的所需邊界區，其中集流體和陽極觸點不分割。因此，可將電池封裝成片材形式。這對曲線形狀的電池元件尤其有用。
參見圖6a至圖6c，修改的基于腔體的電池單元的示例被示出為具有示例性密封/擴散方面。需注意，所示出的電池形狀為直線形；然而，應當理解，曲線形狀也采用大致相同的加工。加工步驟(諸如陰極漿料和電解質澆鑄混合物的配制)的示例性細節，可與本說明書早先所述的示例相似或相同；因此，在以下示例中針對這些步驟提供的是概要描述。
從圖6a開始，其中示出了具有聚合物電解質且不具有封裝的示例性生物相容性通電元件的俯視圖。外圍區601可被隔離以允許來自頂部和底部的膜封裝通電元件。電池裝置可至少包含具有陽極的陽極集流體602、以及用于將集流體連接至層合件的內部粘合劑/密封劑。能夠密封外圍區601的包封件可包括聚合物膜層合件609，該聚合物膜層合件能夠密封諸如下文更詳細地描述的聚丙烯。內部粘合劑/密封劑可包含壓敏粘合劑(psa)，諸如聚異丁烯。可存在外部陽極觸點603。
聚異丁烯(pib)可為一種可商購獲得的材料，其可被配制成滿足許多(如果不是全部的話)要求的psa組合物。此外，pib可為一種具有極低吸水性和低透氧性的優異的阻隔密封劑。可用于本發明示例中的pib示例可為巴斯夫公司(basfcorporation)的
接下來，圖6b示出了不具有封裝的電池元件的示例性仰視圖。至此，裝置的周邊601可從其周圍層中切割，并允許在后續步驟中封裝裝置。在一些示例中，密封件可通過焊接法形成，這可涉及熱處理、激光處理、溶劑處理、摩擦處理、超聲波處理或電弧處理。在其他示例中，密封件可通過使用粘合密封劑形成，諸如膠水、環氧樹脂、丙烯酸類樹脂、天然橡膠和合成橡膠。可通過使用墊圈型材料來推導出其它示例，所述墊圈型材料可由軟木、天然和合成橡膠、聚四氟乙烯(ptfe)、聚丙烯、和有機硅等多種非限制性示例形成。從下面還能夠看到具有陰極的陰極集流體604。可存在外部陰極觸點605。
圖6c示出了不具有封裝的聚合物電池的示例性長邊剖視圖，該聚合物電池包含同時也是陽極的陽極集流體602、具有陰極612的陰極集流體604、以及還用作分隔體的聚合物電解質610、以及用于將層合件609密封到相關聯的集流體層且彼此密封的粘合劑/密封劑608。
在稍后的加工期間，可用密封層包封裝置的周邊601。這些層可從頂部和底部包封生物相容性通電元件的部件；陽極和陰極集流體觸點在端部不密封從而使得可制備外部觸點。
參見圖7a至圖7j，示出了加工基于聚合物電解質的電池。圖7a示出了具有碳涂層715的陰極觸點710。在其中碳涂層可涂覆陰極觸點的兩面的示例中，可屏蔽或移除一部分以暴露觸點連接部。加工可繼續至圖7b，帶有剝離層721的合物層720可具有預成形腔體722。合物層720可粘附到碳涂層715上的陰極觸點710。參見圖7c，可使用如參考圖4b所討論的陰極漿料來填充帶有陰極730的腔體722。在圖7d中，可移除剝離層，并且可通過如先前已討論的各種方式來干燥陰極層。這形成了可接合至陽極和電解質件的陰極件。用于形成陽極和電解質件的示例性加工步驟遵循接下來的步驟。
參見圖7e，可為如先前部分所討論的鋅膜或者可為各種類型的陽極膜的陽極觸點750可具有其上安置有第二腔體753的第二層合物膜751。當兩個件最終結合在一起時，第二腔體753可與第一腔體722對準。層合件可具有剝離層752。接下來參見圖7f，第二腔體可填充有如本說明書先前所述的用于形成聚合物電解質760的聚合物電解質制劑。
參見圖7g，可移除剝離層752，并且可通過各種方式干燥聚合物電解質。這兩個件，即層合物填充的陰極和層合物填充的聚合物電解質，可如圖7h所示結合在一起。真空層合機770可加熱這兩個件，并將它們壓制在一起以形成如圖7i所示的層合件。層合結構可具有印刷到層合體中的多個對準標記，這些對準標記可用于對準各種加工并且可對準電池主體周圍的待通過沖壓或激光切割或通過其它方式切割的目標區。可使用切割來切割電池周圍的材料。在圖7j中，示出了電池主體780的俯視圖，該電池主體的材料從層合結構切割出或沖壓出以形成間隙781。利用電池層上方和下方的箔進行的后續密封過程現可構建完全圍繞電池主體的密封件。在一些示例中，電池主體上方和下方的密封箔可于其中具有孔，所述孔與集流體上的所需接觸點對準。在所示的示例中，用于保持電池主體的突片782可仍連接至電池。當這些突片782隨后被切割以分割出電池元件時，密封劑層可不覆蓋電池的端部區。在一些示例中，分割方式，包括激光切割或加熱型模沖，可在切割時在這些層中構建密封件。在該示例中，示出了線性電池主體，但可使用如所示的步驟以類似的方式加工曲線形狀。
設計良好的密封結構以及相關的密封材料可改善通電裝置的生物相容性，因為材料可保持在不與生物接觸表面發生相互作用的區域中。此外，形成得好的密封可改善電池接收各種類型的力并且不破裂暴露電池一個或多個腔體的內容物的能力。
聚合物電解質組合物固有地改善通電元件的生物相容性以及其對因外部擴散而進入到電池中的影響的耐受性。聚合物主鏈的固態方面，以及其含有離子(無論是否以溶劑形式)，最大程度地減小了可導致電解質因擴散到裝置外而損失的力。
本文的示例討論了已根據本發明中所述的各種方式形成的聚合物電解質一次電池裝置。在較高的水平上，在一些示例中，這些電池裝置可結合到生物醫療裝置中，所述生物醫療裝置諸如參考圖1b討論的眼科鏡片。
在接觸鏡片的示例中，電池裝置可連接至電活性元件，其中電池與電活性元件一起駐留在插入件內，或者電池駐留在插入件之外。可用適當的水凝膠制劑將插入件、電活性元件和電池封裝為一個整體，以提供生物醫療裝置的生物相容性。在一些示例中，水凝膠可包含保留封裝水凝膠的潤濕方面的制劑。因此，與包含部件的外殼相關的生物相容性的多個方面與作為一個整體的生物醫療裝置的生物相容性相關。這些方面可包括，作為一些非限制性示例，透氧性、可潤濕性、化學相容性和溶質滲透性。
電池和插入件可與濕潤環境相互作用，并且因此電池本身的生物相容性策略與總體生物醫療裝置非常相關。在一些示例中，可以設想，密封件阻止材料進出插入件和電池裝置。在這些示例中，可改變水凝膠封裝層的設計以允許例如插入件和電池裝置周圍的可潤濕性和滲透性。在一些其它示例中，氣體逸出可允許一些氣體物類穿過電池裝置、穿過水凝膠封裝并進入到生物醫療裝置環境中。生物醫療裝置的接觸用戶的流體和細胞層的部分(無論是對于眼科裝置還是對于其它裝置)可被設計來匹配生物醫療裝置到生物醫療裝置將駐留于其中或其上的生物環境的界面層。
電活性裝置和電池的外部封裝層
在一些示例中，可在生物醫療裝置中形成封裝層的優選包封材料可包括包含有機硅的組分。在一個示例中，該封裝層可形成接觸鏡片的鏡片裙邊。“含有機硅的組分”是指在單體、大分子單體或預聚物中包含至少一個[-si-o-]單元的組分。優選地，以含有機硅的組分的總分子量計，所有si和所連接的o在含有機硅的組分中的含量大于約20重量％，更優選地大于30重量％。可用的含有機硅的組分優選地包含可聚合的官能團，諸如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙烯基、n-乙烯基內酰胺、n-乙烯基酰胺和苯乙烯基官能團。
在一些示例中，圍繞插入件的眼科鏡片的裙邊(也稱為插入件封裝層)可由標準水凝膠眼科鏡片制劑構成。具有可向多種插入件材料提供合格匹配特性的示例性材料可包括那拉菲康族(包括那拉菲康a和那拉菲康b)和依他菲康族(包括依他菲康a)。下文將對與本領域一致的材料性質進行更全面的技術討論。本領域中的技術人員可認識到，除所討論的那些材料之外的其它材料還可形成被密封和封裝插入件的合格的封裝件或部分封裝件，并且應將其視為符合并包含在權利要求書的范圍內。
合適的含有機硅的組分包括式i的化合物
其中
r1獨立地選自單價反應性基團、單價烷基基團或單價芳基基團(以上基團中的任一個還可包括選自下列的官能團：羥基、氨基、氧雜、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰氨基、氨基甲酸根、碳酸根、鹵素或它們的組合)；以及單價硅氧烷鏈(包括1-100個si-o重復單元，所述單元還可包括選自下列的官能團：烷基、羥基、氨基、氧雜、羧基、烷基羧基、烷氧基、酰氨基、氨基甲酸根、鹵素或它們的組合)；
其中b＝0至500，應當理解，當b不為0時，b為眾數等于設定值的分布；
其中至少一個r1包含一價反應性基團，并且在一些示例中，在1和3個r1之間包含一價反應性基團。
如本文所用，“一價反應性基團”為可經歷自由基和/或陽離子聚合的基團。自由基反應性基團的非限制性示例包括(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯基、乙烯基、乙烯基醚、c1-6烷基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酰胺、c1-6烷基(甲基)丙烯酰胺、n-乙烯基內酰胺、n-乙烯基酰胺、c2-5烯基、c2-5烯基苯基、c2-5烯基奈基、c2-6烯基苯基、c1-6烷基、o-乙烯基氨基甲酸酯和o-乙烯基碳酸酯。陽離子反應性基團的非限制性示例包括乙烯基醚或環氧基團、以及它們的混合物。在一個實施方案中，自由基活性基團包括(甲基)丙烯酸酯、丙烯酰氧基、(甲基)丙烯酰胺以及它們的混合物。
合適的一價烷基和芳基基團包括未取代的一價c1至c16烷基基團、c6-c14芳基基團，諸如取代的和未取代的甲基、乙基、丙基、丁基、2-羥丙基、丙氧基丙基、聚乙烯氧丙基、它們的組合等。
在一個示例中，b為0，一個r1為一價反應性基團，并且至少3個r1選自具有一至16個碳原子的一價烷基基團，并且在另一個示例中，選自具有一至6個碳原子的一價烷基基團。該實施方案的有機硅組分的非限制性示例包括2-甲基-2-羥基-3-[3-[1,3,3,3-四甲基-1-[(三甲基甲硅烷基)氧基]二硅氧烷基]丙氧基]丙基酯(“sigma”)、
2-羥基-3-甲基丙烯酰氧基丙氧基丙基-三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷、
3-甲基丙烯酰氧基丙基三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷("tris")、
3-甲基丙烯酰氧基丙基雙(三甲基甲硅烷氧基)甲基硅烷和
3-甲基丙烯酰氧基丙基五甲基二硅氧烷。
在另一個示例中，b為2至20、3至15或在一些示例中為3至10；至少一個末端r1包含一價反應性基團，并且其余的r1選自具有1至16個碳原子的一價烷基基團，并且在另一個實施方案中，選自具有1至6個碳原子的一價烷基基團。在另一個實施方案中，b為3至15，一個末端r1包含一價反應性基團，另一個末端r1包含具有1至6個碳原子的一價烷基基團，其余的r1包含具有1至3個碳原子的一價烷基基團。該實施方案中有機硅組分的非限制性示例包括(單-(2-羥基-3-甲基丙烯酰氧基丙基)-丙基醚封端的聚二甲基硅氧烷(分子量為400-1000)(“oh-mpdms”)、一甲基丙烯酰氧基丙基封端的單正丁基封端的聚二甲基硅氧烷(分子量為800-1000)(“mpdms”)。
在另一個示例中，b為5至400或10至300，兩個末端的r1均包含一價反應性基團，其余的r1獨立地選自具有1至18個碳原子的一價烷基基團，所述一價烷基基團在碳原子之間可以具有醚鍵并且還可以包含鹵素。
在一個其中需要有機硅水凝膠鏡片的示例中，本發明的鏡片將由這樣的反應性混合物制成：按由其制成聚合物的反應性單體組分的總重量計，該反應性混合物包含至少約20重量％的含有機硅組分，優選地包含介于約20重量％和70重量％之間的含有機硅組分。
在另一個實施方案中，一至四個r1包含下式的乙烯基碳酸酯或氨基甲酸酯：
式ii
其中：y代表o-、s-或nh-；
r代表氫或甲基；d為1、2、3或4；并且q為0或1。
含有機硅的乙烯基碳酸酯或乙烯基氨基甲酸酯單體具體包含：1,3-雙[4-(乙烯氧基羰基氧基)丁-1-基]四甲基-二硅氧烷、3-(乙烯氧基羰基硫基)丙基-[三(三甲基甲硅烷氧基)硅烷]、3-[三(三甲基甲硅烷氧基)甲硅烷基]丙基烯丙基氨基甲酸酯、3-[三(三甲基甲硅烷氧基)甲硅烷基]丙基乙烯基氨基甲酸酯、碳酸三甲基甲硅烷基乙基乙烯酯、碳酸三甲基甲硅烷基甲基乙烯酯，并且
其中模量低于約200的生物醫療裝置是期望的，僅一個r1應當包含單價反應性基團，并且其余r1基團中的不超過兩個將包含單價硅氧烷基團。
另一類含有機硅組分包括以下各式的聚氨酯大分子單體：
式iv-vi
(*d*a*d*g)a*d*d*e1、
e(*d*g*d*a)a*d*g*d*e1或
e(*d*a*d*g)a*d*a*d*e1
其中：
d代表具有6至30個碳原子的烷二基、烷基環烷二基、環烷二基、芳二基或烷基芳二基；
g代表具有1至40個碳原子而且可在主鏈中含有醚鍵、硫代鍵或胺鍵的烷二基、環烷二基、烷基環烷二基、芳二基或烷基芳二基；
*代表氨基甲酸酯或脲基鍵；
a為至少1；
a代表由下式表示的二價聚合基：
式vii
r11獨立地代表具有1至10個碳原子的烷基或氟取代的烷基基團，其在碳原子之間可含有醚鍵；y為至少1；并且p提供400至10,000的部分權重；e和e1中的每個獨立地代表由下式表示的可聚合不飽和有機基：
式viii
其中：r5為氫或甲基；r13為氫、具有1至6個碳原子的烷基或—co—y—r15基，其中y為—o—、y—s—或—nh—；r14為具有1至5個碳原子的二價基；x代表—co—或—oco—；z代表—o—或—nh—；ar代表具有6至30個碳原子的芳香基；w為0至6；x為0或1；y為0或1；并且z為0或1。
優選的含有機硅組分為聚氨酯大分子單體，其由下式表示：
式ix
其中r16是在去除異氰酸酯基團之后的二異氰酸酯的雙自由基(諸如異佛樂酮二異氰酸酯的雙自由基)。其它適宜的含有機硅大分子單體為由氟醚、羥基封端的聚二甲基硅氧烷、異佛樂酮二異氰酸酯和甲基丙烯酸異氰基乙酯反應形成的式x化合物(其中x+y為10至30范圍內的數值)。
式x
其它適用于本發明的含有機硅組分包括含聚硅氧烷、聚亞烷基醚、二異氰酸酯、聚氟代烴、聚氟醚和多糖基團的大分子單體；具有極性氟化接枝或側基(末端二氟代碳原子上連接有氫原子)的聚硅氧烷；含醚鍵和硅氧烷鍵的親水硅氧烷基甲基丙烯酸酯；以及含聚醚和聚硅氧烷基團的可交聯單體。在一些示例中，聚合物主鏈可具有摻入到其中的兩性離子。當材料以溶劑形式存在時，這些兩性離子可表現出沿聚合物鏈的兩種極性的電荷。兩性離子的存在可改善聚合材料的可潤濕性。在一些示例中，上述聚硅氧烷中的任一個也可用作本發明中的封裝層。
使用具有聚合物電解質的電池的生物醫療裝置
生物相容性電池可用于生物相容性裝置諸如例如植入式電子裝置諸如起搏器和微能量收集器、用于監測和/或測試生物功能的電子藥丸、具有活性部件的外科裝置、眼科裝置、微型泵、除顫器、支架等。
已描述了具體的示例來舉例說明在生物相容性電池中使用的陰極混合物的示例性實施方案。這些示例用于所述舉例說明，而無意以任何方式限制權利要求書的范圍。因此，說明書旨在涵蓋對于本領域技術人員可能顯而易見的全部示例。
盡管所示出并描述的據信是最為實用和優選的實施方案，但顯而易見的是，對所述和所示的具體設計和方法的變更對于本領域中的技術人員來說不言自明，并且在不脫離本發明的實質和范圍的情況下可使用這些變更形式。本發明并不局限于所述和所示的具體構造，而是應當理解為與可落入所附權利要求書的范圍內的全部修改形式相符。
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