具有納米結構電極表面的電潤溼電池的製作方法
2023-10-10 05:20:04
專利名稱：具有納米結構電極表面的電潤溼電池的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及電池，尤其涉及具有至少一個納米結構電極表面的電池。
背景技術：
在無數應用中的許多有益的裝置或結構依靠電池作為電源。如圖1所示，示意性的液體單元電池101的特徵在於電解液102具備如下的作用過程使電荷在正極104和負極105之間以方向103流動。當把這種電池101插入帶有示意性負載108的電路106中時，它完成了讓電子以方向107圍繞電路106均勻流動的迴路。正極由此從外電路106接收電子。然後這些電子以還原反應方式與正極104的材料進行反應，產生了電荷經過電解液102中的離子向負極105的流動。在負極105處，在負極104的材料和流過電解液102的電荷之間的氧化反應產生了過剩的電子，這些電子被釋放到外電路106。
隨著上述過程的繼續，正極和負極104和105的活性材料最終分別被耗盡，反應速度減慢直至電池不能再提供電子。在此點處電池放電。眾所周知，即使當液體單元電池不插入電路中時，也經常存在與電極104和105的低電平反應，最終耗盡電極材料。因此，即使當電池不是在電路中以活性方式使用，它也可能在一段時間後被耗盡。此時間段根據所用的電解液和電極材料而變化。
發明內容
我們已經認識到，本發明的最大優勢在於能夠防止電池在沒有使用的情況下放電。此外的優點在於當電池開始放電時能夠變化性地進行控制。
因此，我們發明了一種方法和裝置，其中，電池包括具有至少一個納米結構表面的電極。納米結構的表面以如下的方式設置防止電池的電解液與電極接觸，這樣，在電池沒有使用時，防止了電池的放電。當把電壓施加在納米結構的表面上時，使得電解液透過納米結構的表面並與電極接觸，由此活化電池。因此，當將活化後的電池插入電路中時，電子沿電路流動。
在一個示意性實施例中，電池是電子封裝的一個集成部分。在另一個實施例中，將電池製造成單獨構件，然後使電池與電子封裝接觸。在又一個實施例中，在用作軍事目標設備的射彈中設置電子封裝和相連接的電池。
圖1表示在電路中使用的原有技術的液體單元電池；圖2表示原有技術的納米柱(nanopost)表面；圖3A、3B、3C、3D和3E表示適合於用在本發明中的預定納米結構的各種原有技術的納米結構部件圖形；圖4表示圖3C的原有技術納米結構部件圖形的更詳細的示圖；圖5A和5B表示根據本發明原理的裝置，由此採用電潤溼原理以使液滴透過納米結構部件圖形；圖6表示圖5A和5B的納米結構部件圖形的示意性納米柱的詳圖；圖7表示根據本發明原理的示意性液體單元電池，其中，電池中的電解液通過納米結構與負極隔離；圖8表示圖7的示意性電池，其中，使電池中電解液透過納米結構，由此與負極接觸；圖9A和9B表示在具有一個或多個雷射器的電路中分別使用圖7和8的電池的示意性實施例；圖10A和10B表示如何將圖9A和9B的示意性實施例中的多個裝置設置在容器中例如射彈中；和圖11表示如何將圖10A和10B的射彈用作雷射器指定目標。
具體實施例方式
圖2表示示意性納米柱圖形201，各納米柱209具有小於1微米的直徑。雖然圖2表示以略微圓錐狀形成的納米柱209，但是也可採取其它形狀和尺寸。實際上，已經製造出圓柱狀納米柱陣列，各納米柱具有小於10nm的直徑。具體而言，圖3A-3E表示利用各種方法生產的納米柱的不同示意性陣列，進一步表示這些不同直徑的納米柱可按不同程度的規律性進行設置。此外，這些附圖表明，可以生產出具有由不同距離隔開的各種直徑的納米柱。於2001年2月13日公開的、Tonucci等人的、題目為「納米柱陣列及其製造方法」的美國專利US6185961描述了一種生產納米柱的示意性方法，在此將這篇專利的全部內容引作參考。可通過各種方法製造納米柱，例如，利用模板形成納米柱，各種平版印刷方式和各種刻蝕方法。
圖4表示圖3C的現有技術示意性表面401，具有在基底上設置的納米柱402的納米結構部件圖形。通過這裡的描述，本領域的技術人員將認識到應用於納米柱或納米結構的相同原理可同樣應用於在部件圖形中的微米柱或其它更大的部件。圖4的表面401和納米柱402示意性地由矽製成。圖4的納米柱402示意性地表示為直徑約350nm，高度約6μm，中心與中心相距約4μm。對於本領域的技術人員而言，可將這些陣列製造成規則間隔或作為選擇製造成不規則間隔是顯而易見的。
除非另有說明，否則在此採用的「納米結構」是一種具有至少一個低於1微米的尺寸的預定結構，「微米結構」是一種具有至少一個低於1毫米的尺寸的預定結構。術語「部件圖形」是指微米結構的圖形或者納米結構的圖形。此外，術語「液體」、「小滴」和「液滴」以可互換的方式在此使用。那些術語的每一個涉及液體或一部分液體，無論是否以小滴的形式。
本發明人認識到，最好能夠控制給定液體向給定納米結構或微米結構的表面的滲透，並由此控制液體與支撐納米結構或微米結構的下層基底的接觸。圖5A和5B表示根據本發明原理的一個實施例，其中，採用電潤溼來控制液體向納米結構表面的滲透。在申請日為2003年3月31日、申請號為10/403159中描述了電潤溼的原理，該申請的名稱為「用於可變地控制液體在納米結構表面上的運動的方法和裝置」，在此將其全部內容引作參考。
參見圖5A，在如上所述的圓柱形納米柱502的納米結構部件圖形上設置導電液體(如液體電池中的電解液)的小滴501，這樣，小滴501的表面張力使得小滴懸浮在納米柱502的上部。在這種設置中，小滴僅覆蓋各納米柱的表面區域f1。由導電基底503的表面支撐納米柱502。小滴501藉助具有電壓源505的引線504示意性地電連接到基底503。示意性地納米柱更詳細地示於圖6中。在此圖中，納米柱502通過材料601與液體(圖5A中的501)電絕緣，材料601例如為介質材料的絕緣層。納米柱進一步通過低表面能量材料602與液體分開，材料602例如為人們熟知的含氟聚合物。這種低表面能量材料使得在液體和納米柱表面之間獲得適當的最初接觸角度。對於本領域的技術人員而言，採用具有足夠低的表面能量和足夠高的絕緣性能的單層材料來代替採用不同材料的兩個單層是顯而易見的。
圖5B表明，通過將低電壓(例如，10-20伏特)施加到液體501的導電液滴上，使液體501和納米柱502之間產生電壓差。在液體和納米柱表面之間的接觸角減小，小滴501以足夠小的接觸角沿著納米柱502的表面在y方向上向下移動並滲入納米結構部件圖形，直至其完全圍繞各納米柱502並與基底503的上表面接觸。在此結構中，小滴覆蓋各納米柱的表面區域f2。由於f2＞＞f1，因此在小滴501和納米柱502之間的整個接觸區域比較大，使得小滴501接觸基底503。
圖7表示根據本發明原理的示意性電池701，其中，電解液702裝在具有保護壁703的容器內。電解液702與正極704接觸，但通過納米結構表面707與負極708分離。納米結構表面707可以是負極表面，或者作為選擇，可以是連接到負極的表面。本領域的技術人員會認識到，納米結構表面還可以用於與正極接觸，可獲得類似的有益結果。在圖7中，電解液懸浮在該表面的納米柱頂部，類似於圖5A的小滴。將電池701插入如具有負載706的電路705中。當電解液不與負極接觸時，基本上在電解液和電池701的電極704和705之間不發生反應，因此不消耗電極材料。因此，可以在電池不放電的條件下使電池701存儲較長的時期。
圖8表示將圖7的電池701插入到電路705中，其中，採用上述電潤溼原理，將電壓施加在納米結構的表面707上，由此使電解液702滲入表面707並與負極708接觸。本領域技術人員會認識到，此電壓可由任意數量的電源產生，例如，通過使一個或多個脈衝的RF能量經過電池。當出現電解液向納米結構中的滲透時，電子開始沿上述電路705在方向801流動，為負載706供電。因此，圖7和8的實施例表明如何在長時間沒有損耗的條件下存儲電池，然後在所需點及時「打開」，由此為電路中的一個或多個電負載供電。
圖9A和9B表示在小型電子封裝901中示意性使用的圖7和8的電池的截面。具體而言，參見圖9A，封裝901具有電連接到示意性雷射部分(具有雷射器906)的電池部分(具有正極904、負極908、納米結構表面907和電解液902)。本領域的技術人員會認識到，封裝901可以是由一種材料如矽晶片整體形成的集成裝置，或者作為選擇，電池部分可以單獨地形成並在之後的製造步驟中連接到封裝901的雷射部分。在圖9A和9B的橫截面中示出的封裝901可以示意性地製造成以任意所需幾何形狀(例如，方形、圓形、矩形等)的任何尺寸的裝置。作為優選，封裝901可以製造成表面901具有1mm2-100mm2的表面積。本領域的技術人員會認識到，具有各種表面積的各種形狀可有利地用於各種應用。
如之前所述，參見圖9B，當電壓施加在納米結構907的表面上時，電解液902滲入表面907並接觸電極908。重複一次，這種電壓可通過在電池外部產生的RF脈衝產生。在電極904和908之間的反應開始，電流開始沿將電池連接到雷射器906的電路流動。因此，雷射器906開始發光。
圖10A和10B和11表示，對於圖9A和9B的電子封裝的一種示意性用途。具體而言，參見圖10A，容器1001例如射彈填充有粘性液體1002，在粘性液體1002中設置了多個圖9A和9B的電子封裝901。粘性液體是示意性凝膠，這種凝膠具有長保存期(例如，具有較長時間不會改變的粘性)並用於保持在多個電子封裝901之間的距離。射彈示意性地由聚合物材料形成，例如，常用的PVC或ABS塑料。適合用於圖10A和10B的實施例中的示意性液體在聚氨基彈性粘合劑族中是軟粘性的。在使用之前，電子封裝901的電池部分是非活性的，雷射器不發光，類似於上述圖9A的實施例。然而，參見圖10B，當需要雷射器開始發光時，裝置1005產生一個或多個RF能量脈衝1004，脈衝1004經過容器1001，由此將電壓施加在圖9B的納米結構的表面907上，使封裝901的電池中的電解液與圖9B的電極904和908接觸。因此，和圖9B的實施例相同，雷射器906開始發光。本領域的技術人員會認識到，如果圖10A和10B的射彈是由槍發射的射彈，裝置1005可以是產生RF脈衝以激活封裝901的雷射器的槍的部件。正如在此採用的那樣，槍定義為手槍、步槍、大炮、彈弓或任何其它適於向目標發射射彈的這種裝置。作為選擇，例如在由手投擲的射彈的情況下，可採用任何適當的RF能量產生裝置以激活電子封裝901的雷射器。
圖11表明，當圖10A和10B的射彈1001接觸表面1101時，如何將車輛的表面、射彈分離，如何將液體1002粘接到表面1101。因此，在液體內的發光封裝901也粘接到車輛的表面1101。某些軍事指令、尤其是從空降平臺上降落的炮彈和/或飛彈適合於引入(homeinto)特殊頻率的雷射。因此，本領域的技術人員應認識到，發光封裝906由此可用作可引入(home into)這些炮彈和飛彈的軍用雷射瞄準裝置。本領域的技術人員還可認識到，這種形式的雷射瞄準裝置具有優於目前使用的雷射瞄準系統的優點。例如，一種現有系統依靠利用雷射對目標的手工「上色」。在這種情況下，在地面上的人必須保持與目標接近，將雷射照在目標上，由此使此人處於被發現或被傷害的危險情況。另一現有系統依靠飛行器以用雷射對目標上色。然而，這要求飛行器再一次保持在目標的附近，直至炮彈和飛彈摧毀目標。這同樣是不希望的。
圖10A和10B的射彈具有以下優點它能夠在車輛上發射並用作自生雷射發射器。因此，既不需要人、也不需要飛行器來利用雷射器對靶上色。因此，本領域的技術人員可認識到，在發射射彈之前不需要激活圖10A和10B的雷射發射器。相反，可如圖11所示那樣發射射彈和連接到表面1101的未激活發射器。然後，在之後的時間，可由會激活雷射發射器的任何合適的能源產生RF能量脈衝。本領域的技術人員會認識到，可由在不同射彈中的雷射封裝發射不同的雷射信號，例如通過利用不同加密的信號，由此允許通過不同指令的目標區別。
上面僅描述了本發明的原理。因此應理解，本領域的技術人員能夠設計出各種設置，雖然在此沒有清楚地描述，但是各種設置體現出本發明的原理並在本發明的實質和範圍內。例如，鑑於在此描述的各種實施例，本領域的技術人員會認識到，本發明的原理可廣泛應用於完全不同的領域和應用。在此描述的所有例子和限定性語言僅是為了幫助讀者理解本發明的原理，並不表示將本發明局限於這些具體描述的例子和條件。此外，描述本發明方案和實施方式的所有陳述都涵蓋了它們的功能性替代物。
權利要求
1.一種裝置，包括電解液；第一電極；和在所述電解液和所述電極之間的納米結構表面，其中所述納米結構表面防止電解液與電極接觸。
2.根據權利要求1的裝置，其中，在將電壓施加在所述納米結構表面上時，所述電解液滲入所述表面，由此接觸所述電極。
3.根據權利要求1的裝置，還包括第二電極，所述第二電極以下述設置方式與所述電解液接觸當所述電解液滲入所述表面時，形成能夠產生電流的電池。
4.根據權利要求3的裝置，還包括含有電負載的電路。
5.根據權利要求4的裝置，其中所述電負載是至少一個雷射器。
6.一種用於指定目標的裝置，包括雷射產生裝置，包括電池和雷射器，其中所述電池包括通過多個納米結構與至少一個電極隔開的電解液；和用於將所述雷射產生裝置連接到所述目標的裝置。
7.根據權利要求6的裝置，其中所述用於連接的裝置包括含有多個所述雷射產生裝置的液體，所述液體設置在容器內，其中，在接觸所述目標的表面時，含有所述多個雷射產生裝置的液體粘接到所述表面。
8.根據權利要求7的裝置，其中所述容器是適於由槍發射的射彈。
全文摘要
本發明公開了一種方法和裝置，其中，電池包括具有至少一個納米結構表面的電極。納米結構表面以下述方式設置防止電池的電解液接觸電極，由此防止當電池不用時電池放電。當電壓施加在納米結構的表面上時，使電解液滲入納米結構表面並與電極接觸，由此激活電池。在一個示意性實施例中，電池是電子封裝的集成部分。在另一實施例中，將電池製成單獨裝置並與電子封裝接觸。在又一實施例中，把電子封裝和附帶電池設置在用作軍事目標裝置的射彈中。
文檔編號H01M6/32GK1630120SQ20041009473
公開日2005年6月22日 申請日期2004年11月17日 優先權日2003年11月18日
發明者蒂莫菲·N.·克羅潘金, 約瑟夫·A.·泰勒, 多納德·維斯 申請人:朗迅科技公司