Dieständigwachsende Entwicklung miniaturisierter und tragbarer elektrischangetriebener Gerätemit kompaktem Design, wie beispielsweise Mobiltelefone, Sprachaufzeichnungs-und Abspielgeräte, Uhren,Bewegungs- und Standbildkameras, Flüssigkristallanzeigen, elektronischeRechenmaschinen, IC-Karten, Temperaturfühler, Hörgeräte, druckempfindliche Summerusw. erzeugt einen ständigwachsenden Bedarf an kompakten Dünnschichtbatterien für derenBetrieb. Daher besteht ein Bedarf an zuverlässigen elektrochemischen Dünnschichtzellenzur Verwendung als Batterien.
Batterienkönnenbreit in zwei Kategorien unterteilt werden, wobei die Batteriender ersten Kategorie nasse Elektrolyten (d. h. Flüssigbatterien)umfassen, wobei Batterien der zweiten Kategorie Feststoffelektrolytumfassen. Obwohl Trockenbatterien einen inhärenten Vorteil aufweisen, sietrocknen nicht aus und lecken nicht, leiden sie doch verglichenmit Flüssigbatterienunter größeren Nachteilen,da ihr Betrieb aufgrund begrenzter Diffusionsraten von Ionen durcheinen Feststoff in einem viel größeren Ausmaß temperaturabhängig istund viele nur bei erhöhtenTemperaturen gut arbeiten; und die somit beschriebenen begrenztenDiffusionsraten Trockenbatterien mit einem niedrigen Verhältnis vonerzeugter elektrischer Energie gegenüber ihrer potentiellen chemischenEnergie kennzeichnen. Dünnschicht-Flüssigbatterienumfassen typisch eine positive und negative aktive Schicht aus unlöslichemMaterial, die zusammengebracht sind, mit einem dazwischengesetztenSeparator, welcher Separator mit einer flüssigen Elektrolytlösung getränkt istund somit als elektrolytische Flüssigschichtwirkt. Solche Batterien, wovon ein Beispiel beispielsweise in dem US-Patent 4,623,598 an Waki etal. und in dem japanischen Patent JP61-55866 an Fuminobu et al. offenbart ist, müssen ineiner Ummantelungsfolie versiegelt werden, um die Verdunstung vonFlüssigkeit zuverhindern, und sind daher geschlossene elektrochemische Zellen.Da sie geschlossene Zellen sind, neigen diese Batterien dazu, beiLagerung aufgrund der Entwicklung von Gasen anzuschwellen, was bei Dünnschichtbatterienohne mechanischen Trägerein fatales Problem ist; der von den angesammelten Gasen auferlegteDruck führtzu Schichtablösung,wodurch die Batterie funktionsunfähig wird. Mittel zur Überwindungdieses Problems umfassen (1) die Verwendung eines Polymermittelsmit erhöhterViskosität,wie etwa Hydroxyethylcellulose, die angewandt wird, um die Batterielagenaneinanderzuheften (d. h. zu kleben), um dadurch das durch das Fehlenfester Unterstützungauferlegte inhärenteProblem solcher Batterien zu lösen;und (2) Zusatz von Quecksilber zur Verhinderung der Bildung vonGasen, insbesondere Wasserstoff. Das Polymer ist jedoch in seiner Effektivität begrenztund das Quecksilber ist gefährlichfür dieUmwelt.
EinWeg zur Lösungder vorangehend beschriebenen Beschränkung war in dem US-Patent 3,901,732 an Kis et al.offenbart, worin ein gasdurchlässigeselektrolytundurchlässigesPolymermaterial, das ein Entlüftenvon in der Batterie gebildeten unerwünschten Gasen zulässt, während esjeglichen Elektrolytverlust aus der Batterie verhindert, als Ummantelungsfoliezum Umschließender Batteriezelle verwendet wird.
Eindirekterer und effizienterer Weg zur Vermeidung unerwünschterGasansammlung in Dünnschicht-Flüssigbatterienwäre jedoch,diese Batterien zur erleichterten Freisetzung von Gasen als offene Zellenvorzusehen, unter gleichzeitigem Vorsehen von Mitteln zur Vermeidungvon Flüssigkeitsverdunstungund Austrocknen der Batterie.
DieeuropäischePatentbeschreibung EP 0 456 122 offenbarteine Zelle vom galvanischen Leclanche-Typ. Ein transdermales therapeutisches Systemist offenbart, das in Schichten aufgebaut ist und eine elektrischisolierende Rückschicht,die für aktiveSubstanz undurchlässigist, und zwei galvanische Elemente, die auf voneinander isolierteWeise angeordnet sind, aufweist. Die hautseitigen Elektroden dergalvanischen Elemente tragen Schichten und die Schicht mindestenseiner der hautseitigen Elektroden enthält eine pharmazeutisch aktiveSubstanz. Bei Aktivierung kann Feuchtigkeit in die Zelle diffundieren. EP 0 456 122 offenbart keinegalvanische Zelle, die ein hygroskopisches Material enthält, um dieZelle jederzeit nass zu halten.
Esbesteht ein breit anerkannter Bedarf an, und es wäre höchst vorteilhaft,eine offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle frei von Begrenzungenaufgrund von Ansammlung von Gasen als auch von Flüssigkeitsverdunstungzu haben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGGemäß der vorliegendenErfindung wird eine offene elektrochemische Zelle bereitgestellt,die als primäreoder wiederaufladbare Energieversorgung für verschiedene miniaturisierteund tragbare elektrisch angetriebene Geräte mit kompaktem Design verwendetwerden kann. Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchenZelle bereitgestellt. Die flexible offene elektrochemische Dünnschichtzelle dervorliegenden Erfindung umfasst einen nassen Elektrolyten, behält jedocheine flexible, dünneund offene Konfiguration, das heißt, ohne Ansammlung von Gasenbei Lagerung.
Gemäß weiterenMerkmalen in nachstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformender Erfindung umfasst die Zelle eine erste Schicht unlöslichennegativen Pols, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols undeine dritte Schicht wässrigen Elektrolyts,wobei die dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schichtangeordnet ist und umfasst: (a) ein zerfließendes Material, um die offene Zellejederzeit nass zu halten; (b) ein elektroaktives löslichesMaterial zum Erhalten der erforderlichen ionischen Leitfähigkeit;und c) ein wasserlöslichesPolymer zum Erhalten einer erforderlichen Viskosität zum Anheftender ersten und zweiten Schicht an die dritte Schicht.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen greift eine poröse Substanzan der Elektrolytschicht an.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die poröse Substanzaus der aus einem Filtrierpapier, einer Kunststoffmembran, einerCellulosemembran und einem Tuch bestehenden Gruppe ausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die ersteSchicht unlöslichenpositiven Pols Mangandioxidpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichennegativen Pols Zinkpulver.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die ersteSchicht unlöslichennegativen Pols und/oder die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols weiterKohlenstoffpulver und ist das elektroaktive lösliche Material aus der ausZinkchlorid, Zinkbromid, Zinkfluorid und Kaliumhydroxid bestehenden Gruppeausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die ersteSchicht unlöslichennegativen Pols Silberoxidpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichenpositiven Pols Zinkpulver und ist das elektroaktive lösliche MaterialKaliumhydroxid.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die ersteSchicht unlöslichennegativen Pols Kadmiumpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichenpositiven Pols Nickeloxidpulver und ist das elektroaktive lösliche MaterialKaliumhydroxid.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die ersteSchicht unlöslichennegativen Pols Eisenpulver und umfasst die zweite Schicht unlöslichen positivenPols Nickeloxidpulver und ist das elektroaktive lösliche MaterialKaliumhydroxid.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfassen die ersteSchicht unlöslichennegativen Pols und die zweite Schicht unlöslichen positiven Pols Bleioxidpulver,wird die Zelle durch an die Pole angelegte Spannung aufgeladen undist das elektroaktive löslicheMaterial Schwefelsäure.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind das zerfließende Materialund das elektroaktive löslicheMaterial das gleiche Material und sind aus der aus Zinkchlorid,Zinkbromid, Zinkfluorid und Kaliumhydroxid bestehenden Gruppe ausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das zerfließende Materialaus der aus Calciumchlorid, Calciumbromid, Kaliumdiphosphat undKaliumacetat bestehenden Gruppe ausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das wasserlösliche Polymeraus der aus Polyvinylalkohol, Polyacrylamid, Polyacrylsäure, Polyvinylpyrrolidon,Polyethylenoxid, Agar-Agar, Agarose, Stärke, Hydroxyethylcelluloseund Kombinationen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind das wasserlösliche Polymerund das zerfließende Materialdas gleiche Material und sind aus der aus Dextran, Dextransulfatund Kombinationen und Copolymeren davon bestehenden Gruppe ausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelleweiter Anschlussklemmen, wobei jede der Anschlussklemmen in elektrischemKontakt mit einer der ersten und der zweiten Polschicht ist.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen sind die Anschlussklemmenaus Graphit oder einem Metall hergestellt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist das Metallaus der aus Eisen, Nickel, Titan, Kupfer, Edelstahl und Mischungendavon bestehenden Gruppe gewähltund werden die Anschlussklemmen mittels einer geeigneten Drucktechnologiean der Zelle angebracht, wie etwa, jedoch nicht beschränkt auf, Siebdruck,Offsetdruck, Strahldruck, Laminieren, Materialverdampfung oder Pulverdispersion.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelleweiter mindestens eine leitende Schicht, die die elektronische Leitfähigkeitmindestens einer der ersten und der zweiten Polschicht verbessert.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist die leitendeSchicht aus der aus einem Graphitpapier und Kohlenstofftuch bestehendenGruppe ausgewählt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelleweiter eine Außenschicht,die aus der aus einer Klebe-Rückschicht,einer Folien-Schutzschicht und einer Kombination aus Klebe-Rückschichtund einer Folien-Schutzschichtbestehenden Gruppe ausgewähltist.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird eine elektrischeStromversorgung bereitgestellt, die mindestens zwei Zellen mit Eigenschaften,wie vorangehend dargelegt, umfasst, welche Zellen in einer Vorderende-an Hinterende-Orientierung in einer bipolaren Verbindung miteinanderverbunden sind.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen geschieht dieVerbindung mittels eines Klebemittels, das aus der aus einem leitendendoppelseitigen Klebeband und einer leitenden Klebstoffschicht bestehendenGruppe ausgewähltist.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen werden das leitendedoppelseitige Klebeband und die leitende Klebstoffschicht mittelseiner Drucktechnologie angebracht.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Zelleeine erste Schicht unlöslichennegativen Pols, eine zweite Schicht unlöslichen positiven Pols undeine dritte Schicht wässrigenElektrolyts, wobei die dritte Schicht zwischen der ersten und der zweitenSchicht angeordnet ist und umfasst: (a) ein wasserlöslichesPolymer zum Erhalten einer erforderlichen Viskosität, um dieerste und die zweite Schicht an der dritten Schicht anzuheften,und zum Erhalten eines erforderlichen hygroskopischen Verhaltens,um die offene Zelle jederzeit nass zu halten; und (b) ein elektroaktiveslöslichesMaterial zum Erhalten einer erforderlichen ionischen Leitfähigkeit.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahrenzur Herstellung einer offenen elektrochemischen Zelle die Schrittedes (a) Benetzens einer porösenSubstanz, die eine erste und eine zweite Seite aufweist, mit einerwässrigenLösung, dieein zerfließendesMaterial, ein elektroaktives löslichesMaterial und ein wasserlöslichesPolymer enthält;(b) Anbringens einer Schicht negativen Pols an der ersten Seite;und (c) Anbringens einer Schicht positiven Pols an der zweiten Seite.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen findet das Benetzenmittels einer Tauch- oder Drucktechnologie statt.
Gemäß noch weiterenMerkmalen in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Schichtennegativen und positiven Pols aktive unlösliche Pulvermaterialien, diemit dem zerfließendenMaterial, elektroaktiven löslichenMaterial und wasserlöslichenPolymer gemischt sind, und findet die Anbringung der Schichten negativenund positiven Pols mittels einer Drucktechnologie statt.
Dievorliegende Erfindung spricht erfolgreich die Mängel der derzeit bekanntenKonfigurationen an, indem sie eine offene elektrochemische flexible Dünnschichtzellebereitstellt, die bei Lagerung keine Gase ansammelt, jedoch durchdie Verwendung eines zerfließendenMaterials, um sie jederzeit nass zu halten, und eines wasserlöslichenPolymers zur Erlangung der erforderlichen Viskosität zum Anheften derPolschichten an der wässrigenElektrolytschicht nass und intakt gehalten wird. Weitere Qualitäten der Zelleumfassen, dass sie kein starres äußeres Gehäuse aufweistund daher dünn,leicht und flexibel ist und in jeder Größe, Form, Farbe und angebrachten Musterngefertigt werden kann und daher für eine Vielfalt von Anwendungengeeignet ist; Kosteneffizienz aufweist; aus umwelt- und menschenfreundlichenMaterialien hergestellt ist und mittels einer Klebe-Rückschichtselbstklebend ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENDiehierin beschriebene Erfindung, nur als Beispiel, unter Verweis aufdie begleitenden Zeichnungen, worin:
1 einePerspektivansicht einer Basiskonfiguration einer offenen elektrochemischenflexiblen Dünnschichtzellenach den Lehren der vorliegenden Erfindung ist;
2 einePerspektivansicht einer anderen möglichen Konfiguration eineroffenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle ist; die
3a und 3b Perspektivansichten zweiermöglicherKonfigurationen von Energieversorgungen sind, gebildet von einerbipolaren Verbindung von zwei Zellen von 1 beziehungsweise 2, umdie von so gebildeten elektrischen Energieversorgungen erhalteneelektrische Energie additiv zu erhöhen; und
4 einGraph ist, der die Spannung einer offenen elektrochemischen flexiblenDünnschichtzellenach der vorliegenden Erfindung, gemessen durch einen Voltmeterin Funktion der Zeit unter Raumbedingungen darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTENAUSFÜHRUNGSFORMENDievorliegende Erfindung betrifft eine offene elektrochemische flexibleDünnschichtzelle,die als primäreoder wiederaufladbare Energieversorgung für verschiedene miniaturisierteund tragbare elektrisch angetriebene Geräte mit kompaktem Design verwendetwerden kann. Die offene elektrochemische flexible Dünnschichtzelleder vorliegenden Erfindung umfasst einen nassen Elektrolyten, behält jedocheine flexible, dünneund offene Konfiguration, das heißt, ohne Ansammlung von Gasenbei Lagerung.
DieGrundsätzeund der Betrieb einer offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle nachder vorliegenden Erfindung könnenunter Verweis auf die Zeichnungen und begleitenden Beschreibungenbesser verstanden werden.
UnterBezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eineGrundkonfiguration der offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschichtzelle dervorliegenden Erfindung, generell mit 10 bezeichnet. Zelle 10 umfasstdrei Schichten, wie folgt. Eine erste Schicht unlöslichennegativen Pols 14, eine zweite Schicht unlöslichenpositiven Pols 16 und eine dritte Schicht wässrigenElektrolyts 12. Wie in diesem Dokument verwendet, ist andem entladenen negativen Pol dort, wo eine Oxidation stattfindet,während derpositive Pol dort ist, wo eine Reduktion stattfindet. Die wässrige Elektrolytschicht 12 umfasstein zerfließendes(d. h. hygroskopisches) Material, um die offene Zelle 10 jederzeitnass zu halten; ein elektroaktives lösliches Material zur Erhaltungder erforderlichen ionischen Leitfähigkeit und ein wasserlösliches Polymerzur Erhaltung der erforderlichen Viskosität zum Anheften der Polschichten 14 und 16 andie wässrigeElektrolytschicht 12. Es folgt eine detailliertere Beschreibungjeder der Schichten 14, 16 und 12 undihrer Rolle beim Betrieb der offenen Zelle 10.
DiewässrigeElektrolytschicht 12 umfasst typisch eine poröse unlösliche Substanz,wie etwa, jedoch nicht beschränktauf, Filtrierpapier, eine Kunststoffmembran, eine Cellulosemembran,Tuch etc.; die poröseSubstanz wird von einer wässrigenLösungbenetzt, die drei Komponenten umfasst: ein zerfließendes Material;ein elektroaktives löslichesMaterial und ein wasserlöslichesPolymer.
DaszerfließendeMaterial, das hygroskopisch ist, hält die Zelle 10 jederzeitbefeuchtet. Der Feuchtigkeitsgehalt in der offenen Zelle 10 kannabhängigvon der Auswahl des zerfließendenMaterials, seiner Konzentration und der Luftfeuchtigkeit schwanken.Geeignete zerfließendeMaterialien umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf, Calciumchlorid,Calciumbromid, Kaliumdiphosphat, Kaliumacetat und Kombinationendavon.
Daselektroaktive löslicheMaterial wird in Übereinstimmungmit den Materialien ausgewählt, ausdenen die negative und die positive Polschicht bestehen. Eine Listehäufigverwendeter elektroaktiver löslicherMaterialien, die fürdie vorliegende Erfindung geeignet sind, umfasst beispielsweiseZinkchlorid, Zinkbromid und Zinkfluorid für verschiedene primäre Zellenund Kaliumhydroxid und Schwefelsäure für wiederaufladbareZellen.
DaswasserlöslichePolymer wird als Klebemittel eingesetzt, um die Polschichten 14 und 16 an diewässrigeElektrolytschicht 12 zu heften (d. h. zu kleben). VielePolymertypen sind geeignet, wie beispielsweise Polyvinylalkohol,Polyacrylamid, Polyacrylsäure,Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid, Agar-Agar, Agarose, Stärke, Hydroxyethylcellulose undKombinationen und Copolymere davon.
Jededer negativen und positiven Polschichten 14 und 16 umfassteine Mischung eines geeigneten (negativen bzw. positiven) aktivenunlöslichen Pulvermaterialsmit einer wässrigenLösunggleichartig der hierin voranstehend beschriebenen Lösung, umfassendein zerfließendesMaterial, ein elektroaktives löslichesMaterial und ein wasserlöslichesPolymer.
DenFachleuten ist deutlich, dass, während daselektroaktive löslicheMaterial nicht verändert werdensollte, das zerfließendeMaterial und das wasserlöslichePolymer in der späterenLösunganders gewähltsein können,mit anderen Worten, das elektroaktive lösliche Material sollte in allendrei Lagen 12, 14 und 16 gleich gehaltenwerden, während daszerfließendeMaterial und das wasserlösliche Polymergemäß der spezifischenAnwendung zwischen Schichten variiert werden können.
Diegeeignete Auswahl aktiver unlöslicher Pulvermaterialienfür dienegative Polschicht 14 und positive Polschicht 16 miteinem passenden elektroaktiven löslichenMaterial, wie hierin nachstehend in den Beispielen beispielhaftdargestellt, stellt die flexible Dünnschichtzelle 10 bereit,die als Energieversorgung (d. h. eine Batterie) verwendet werdenkann, welche Zelle 10 offen ist und daher bei Lagerungkeine Gase ansammelt; trotzdem gewährleistet das hygroskopischeVerhalten des zerfließendenMaterials, dass die Zelle 10, obwohl sie offen ist, jederzeitnass gehalten wird. Geeignete Materialpaare zur Verwendung in demnegativen Pol 14 und positiven Pol 16 umfassen,sind jedoch nicht beschränktauf, Mangandioxid/Zink, Silberoxid/Zink, Kadmium/Nickeloxid undEisen/Nickeloxid (das Mangandioxid und das Silberoxid sind optionalmit einem leitenden Kohlenstoffpulver gemischt, wie in der Technikbekannt).
DenFachleuten ist deutlich, dass ein einziges Material sowohl als daszerfließendeMaterial als auch als das elektroaktive lösliche Material dienen kann.Ein solches Material sollte jedoch geeignete elektroaktive und hygroskopischeMerkmale erwerben. Geeignete Materialien dieses Typs umfassen, sindjedoch nicht beschränktauf, Zinkchlorid und Zinkbromid.
Weiterist es den Fachleuten deutlich, dass ein einziges Material als einzerfließendesMaterial und als ein wasserlöslichesPolymer dienen kann. Ein solches Material sollte jedoch geeigneteelektroaktive und hygroskopische Merkmale erwerben. Geeignete Materialiendieses Typs umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Dextran, Dextransulfat undKombinationen und Copolymere davon.
Diein 1 dargestellten und hierin vorangehend beschriebenendrei Schichten 12, 14 und 16 können dünn gefertigtwerden und sind flexibel, daher ist die Zelle 10 flexibelund weist nur eine Dicke von 0,5–1,5 mm oder weniger auf. Eswird derzeit bevorzugt und wird nachstehend weiter im Detail dargelegt,dass die Zelle 10 durch eine geeignete Drucktechnologiegefertigt wird. Geeignete Drucktechnologien umfassen, sind jedochnicht beschränktauf, Siebdruck, Offsetdruck, Strahldruck, Laminieren, Materialverdampfungoder Pulverdispersion.
Eineandere möglicheKonfiguration ist in 2 dargestellt, welche eine Zelle,der generell die Referenzziffer 20 zugeordnet ist, veranschaulicht. WieZelle 10 umfasst auch Zelle 20 Schichten 12, 14 und 16 (gestreifterBereich), die eine Basiszelle bilden. Die Zelle 20 umfasstzusätzlicheine oder zwei leitende Schichten 22 und 24 zurVerbesserung der elektronischen Leitfähigkeit der negativen Polschicht 14 und/oderder positiven Polschicht 16. Geeignete leitende Schichtensind Graphitpapier, Kohlenstofftuch usw. Die Zelle 20 umfasstauch eine negative Anschlussklemme 26 und eine positiveAnschlussklemme 28, welche Anschlussklemmen 26 und 28 entwedermit der entsprechenden Polschicht 14 beziehungsweise 16 odermit der entsprechenden leitenden Schicht 22 beziehungsweise 24 odermit beiden in elektrischem Kontakt sind. Die Anschlussklemmen 26 und 28 sindaus jeglichen geeigneten Materialien hergestellt, wie etwa, jedochnicht beschränktauf, Graphit oder Metalle, wie etwa Eisen, Nickel, Titan, Kupfer,Edelstahl und Mischungen davon, und werden bevorzugt durch einegeeignete Drucktechnologie, wie die vorangehend aufgelisteten, ander Zelle 20 angebracht. Die Anschlussklemmen 26 und 28 werdenverwendet, um die Zelle 20 elektrisch mit einer Last, wieetwa einem elektrisch angetriebenen Gerät, zu verbinden. Die Anschlussklemmen 26 und 28 können sichan jeder gewünschtenStelle der Zelle 20 befinden, können jede geeignete Form undGröße annehmenund, abhängigvon der spezifischen Anwendung, können die Anschlussklemmen 26 und 28 vonder Oberflächeder Zelle 20 hervorragen. Die Zelle 20 kann weitermindestens eine extern befindliche Klebe-Rückschicht 29 umfassen,um das Befestigen der Zelle 20 an verschiedenen Oberflächen zuermöglichen,und/oder mindestens eine extern befindliche Folien-Schutzschicht 30 zumphysikalischen Schutz aller anderen Schichten.
Nocheine andere Konfiguration ist in den 3a–b gezeigt.Zwei oder mehr Zellen 10, wie in 3a gezeigt,oder Zellen 20, wie in 3b gezeigt,könnenelektrisch durch eine bipolare Verbindung angeschlossen sein, umdie von so gebildeten elektrischen Energieversorgungen 40 beziehungsweise 50 erhalteneelektrische Energie additiv zu erhöhen. Zu diesem Zweck werdenzwei oder mehr Zellen in einer Vorderende- an Hinterende-Konfigurationaneinandergeheftet, wie in den 3a–b durch dieAnordnung der Lagen 22, 14, 12, 16 und 24 angedeutet,durch ein leitendes doppelseitiges Klebeband, oder eine leitendeKlebstoffschicht 42, die beispielsweise durch eine geeigneteDrucktechnologie angebracht ist, wodurch das Passieren von Elektronenzwischen benachbarten Zellen ermöglichtwird. Es ist deutlich, dass die elektrischen Energieversorgungen 40 und/oder 50 weiterextern befindliche Klebe-Rückschicht(en)gleichartig zu der Oberfläche 29 von 2 und/oderextern befindliche Folien-Schutzschicht(en)gleichartig zu der Schicht 30 von 2 umfassenkönnen.Es ist weiter deutlich, dass die elektrischen Energieversorgungen 40 und 50 eine negativeund eine positive Anschlussklemme gleichartig zu den Anschlussklemmen 26 beziehungsweise 28 von 2 umfassenkönnen.
Dievorliegende Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zur Herstellungeiner offenen elektrochemischen flexiblen Dünnschicht-Flüssigzellegleichartig zu den vorangehend beschriebenen Zellen, wobei das Verfahrendie Schritte umfasst des (a) Benetzens einer porösen Substanz mit einer wässrigenLösung, dieein zerfließendesMaterial, ein elektroaktives löslichesMaterial und ein wasserlöslichesPolymer enthält;wobei das Benetzen entweder durch Tauch- oder Drucktechnologienerzielt werden kann; (b) Anbringens einer negativen Polschicht aneiner Seite der porösenSubstanz; und (c) Anbringens einer positiven Polschicht an der zweitenSeite der porösen Substanz.Die negativen und positiven Polschichten umfassen aktive unlösliche Pulversubstanzen,gemischt mit dem zerfließendenMaterial, elektroaktiven löslichenMaterial und wasserlöslichenPolymer bevorzugt desselben Typs wie unter (a) und werden bevorzugtunter Anwendung einer geeigneten Drucktechnologie, die beispielsweiseaus den vorangehend aufgelisteten ausgewählt ist, angebracht.
DasVerfahren kann weiter das Hinzufügen zusätzlicherSchichten und Teile zu der Zelle umfassen, wie etwa, jedoch nichtbegrenzt auf, extern befindlicher Klebe-Rückschicht(en) und/oder Folien-Schutzschicht(en)und negativer und einer positiven Anschlussklemme. Auch kann dasVerfahren weiter das bipolare Zusammenfügen von zwei oder mehr Zellenumfassen, beispielsweise mit einem leitenden doppelseitigen Klebebandoder einer leitenden Klebstoffschicht, die beispielsweise durcheine geeignete Drucktechnologie angebracht werden, um eine Energieversorgungmit erhöhterEnergie (z. B. im Wesentlichen verdoppelt, verdreifacht usw.) zubilden. Nach der vorliegenden Erfindung kann solch bipolares Verbindendurch in einer Vorderende- an Hinterende-Konfiguration miteinander Verbindenvon zwei oder mehr vorgefertigten Zellen durchgeführt werden,oder alternativ durch direktes Fertigen von zwei oder mehr so ausgerichtetenZellen, durch nacheinander Anbringen geeigneter Schichten, bevorzugtunter Anwendung einer geeigneten Drucktechnologie, wie vorangehendbeschrieben.
Dieoffene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle der vorliegendenErfindung hat einen großenVorteil gegenüberDünnschichtzellendes Standes der Technik. Da sie eine offene Zelle ist, sammelt siebei Lagerung keine Gase an, wird jedoch trotzdem durch die Verwendungeines zerfließenden Materials,um sie jederzeit nass zu halten, und eines wasserlöslichenPolymers, um die erforderliche Viskosität zum Anheften der Polschichtenan der wässrigenElektrolytschicht zu erlangen, nass und intakt gehalten.
Dieoffene elektrochemische flexible Dünnschichtzelle der vorliegendenErfindung weist andere Qualitätenauf, wie folgt. Erstens hat sie kein starres äußeres Gehäuse und ist daher dünn, leichtund flexibel und kann in jeder Größe, Form, Farbe und mit angebrachtenMustern gefertigt werden und ist daher für eine Vielfalt von Anwendungengeeignet. Zweitens werden durch Verwendung einer geeigneten Drucktechnologiezu ihrer Herstellung ihre Gestehungskosten reduziert und daher kannsie nach Gebrauch entsorgt werden, zum Teil, da große Bögen produziertund nach dem Drucken auf jede gewünschte Größe zugeschnitten werden können, und zumTeil, da diese Technologie inhärentkosteneffizient ist. Drittens wird sie bevorzugt aus umwelt- und menschenfreundlichenMaterialien hergestellt (sie enthält bevorzugt kein Quecksilberoder Schwermetalle). Und schließlichkann sie mittels einer Klebe-Rückschichtselbstklebend hergestellt werden.
Eswird nun auf die folgenden Beispiele verwiesen, die zusammen mitden vorangehenden Beschreibungen die Erfindung veranschaulichen.
BEISPIEL IEineLösung,die 120 mg Polyvinylalkohol (ein wässriges lösliches Polymer) und 1680 mgZinkchlorid (ein zerfließendesMaterial und ein elektroaktives lösliches Material) in 1,2 mlWasser wurde hergestellt. Diese Lösung hatte ein leimartigesviskoses Aussehen. Ein Streifen eines Filtrierpapiers von 4,5 cm × 7 cm wurdedurch eine Druck- oder Tauchtechnologie gründlich mit dieser Lösung benetzt.Eine Mischung von 300 mg Zinkpulver mit der obigen Lösung wurdehergestellt und wurde auf eine Seite des Papierstreifens gedrucktund diente als die negative Polschicht. Auf die andere Seite wurdeeine Mischung von 250 mg Mangandioxid und 50 mg eines leitendenKohlenstoffpulvers zusammen mit der vorgenannten Lösung gedruckt,die als die positive Polschicht diente. Wenn elektrische Kontaktemit beiden Seiten hergestellt und über eine Last verbunden wurden,wurde ein elektrischer Strom gemessen. Ein Strom von 12 Mikroamperepro cm2 bei einer Spannung von 1,7÷1,2 Voltwurde fünfTage lang kontinuierlich unter Raumbedingungen mit Leichtigkeitaufrechterhalten.
BEISPIEL 2Eineoffene Zelle wurde hergestellt, wie unter Beispiel 1 vorangehendbeschrieben, und wurde an einen Voltmeter angeschlossen. Wie in 4 gezeigt,ergab die Messung der von der Zelle unter Raumbedingungen produziertenSpannung eine ausgeprägteSpannung von 1,7÷1,2Volt, die fürneun aufeinanderfolgende Tage aufrechterhalten wurde.
BEISPIEL 3EinegesättigteKaliumhydroxidlösungwird hergestellt und durch Mischen mit einem wasserlöslichenPolymer auf die Viskositäteines Leims gebracht. Eine poröseSubstanz (z. B. ein Filtrierpapier) wird gründlich mit dieser Lösung benetztund eine Mischung der Lösungmit Nickeloxidpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, umeine positive Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischungmit Kadmiumpulver wird auf die andere Seite der porösen Substanzgestrichen, um eine negative Polschicht zu bilden. Durch Anschließen einesVoltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 1,2 Volt gemessen,und ein hoher Strom wird gemessen, wenn die zwei Schichten über eineLast in Kontakt gebracht werden. Die Zelle trocknet an der Luft nichtaus und kann wieder aufgeladen werden, wenn gewünscht.
BEISPIEL 4Diegleiche Kaliumhydroxidlösungwie in Beispiel 3 wird hergestellt und eine poröse Substanz wird damit benetzt.Eine Mischung der Lösungmit Zinkpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, umeine negative Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischungmit Silberoxidpulver, die, falls gewünscht, etwas Kohlenstoffpulverenthält, wirdauf die andere Seite der porösenSubstanz gestrichen, um eine positive Polschicht zu bilden. Durch Anschließen einesVoltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 1,2 Volt gemessen,und ein beträchtlicherStrom wird gemessen, wenn die zwei Schichten über eine Last in Kontakt gebrachtwerden. Die Zelle trocknet an der Luft nicht aus und kann wiederaufgeladen werden, wenn gewünscht.
BEISPIEL 5Diegleiche Kaliumhydroxidlösungwie in Beispiel 3 wird hergestellt und eine poröse Substanz wird damit benetzt.Eine Mischung der Lösungmit Zinkpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, umeine negative Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischungmit Mangandioxidpulver, die, falls gewünscht, etwas Kohlenstoffpulver enthält, wirdauf die andere Seite der porösenSubstanz gestrichen, um eine positive Polschicht zu bilden. DurchAnschließeneines Voltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 1,5 Voltgemessen, und ein beträchtlicherStrom wird gemessen, wenn die zwei Schichten über eine Last in Kontakt gebracht werden.Die Zelle trocknet an der Luft nicht aus. Wiederaufladen der sogebildeten Zelle kann mühsam sein.
BEISPIEL 6Diegleiche Kaliumhydroxidlösungwie in Beispiel 3 wird hergestellt und eine poröse Substanz wird damit benetzt.Eine Mischung der Lösungmit Nickeloxidpulver wird auf eine Seite der porösen Substanz gestrichen, umeine positive Polschicht zu bilden, und eine gleichartige Mischungmit Eisenpulver wird auf die andere Seite der porösen Substanzgestrichen, um eine negative Polschicht zu bilden. Durch Anschließen einesVoltmeters an die zwei Seiten wird eine Spannung von 0,9 Volt gemessenund ein Strom kann gemessen werden, wenn die zwei Schichten über eineLast in Kontakt gebracht werden. Die Zelle trocknet an der Luftnicht aus und ein gewisses Wiederaufladen ist möglich, wenn gewünscht.
BEISPIEL 7Eine30%-ige Schwefelsäurelösung wirdhergestellt und durch Mischen mit einem wasserlöslichen Polymer auf die Viskosität einesLeims gebracht. Eine poröseSubstanz (z. B. ein Filtrierpapier) wird gründlich mit dieser Lösung benetztund eine Mischung der Lösungmit Bleioxid wird auf beide Seiten der porösen Substanz gestrichen. BeideSeiten werden an eine Energieversorgung angeschlossen und eine Spannungvon mehr als 2 Volt wird angelegt, wodurch die Zelle aufgeladenwird. Auflade- und Entladungszyklen können wiederholt werden, ohnedass die Zelle an der Luft austrocknet.
Während dieErfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformenbeschrieben worden ist, ist zu würdigen,dass viele Variationen, Modifikationen und andere Anwendungen derErfindung vorgenommen werden können.
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