生物相容的电化学超级电容器制造技术

本发明专利技术涉及被沉浸在包括生物材料和氧化剂的介质(15)中的超级电容器(10)，其中，所述阳极(A)包括能够对生物材料的氧化进行催化的第一酶以及所述阴极(K)包括能对氧化剂的还原进行催化的第二酶，并且其中，所述阳极和阴极中的每一个均包括与第一酶或第二酶混合的传导材料的固体簇，所述固体簇具有大于或等于20m2/g的比表面积以及在0.7nm至10μm范围内的平均孔尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】生物相容的电化学超级电容器相关串请的交叉引用本专利申请要求法国专利申请FR13/52046的优先权权益，通过引用方式将其内容并入本文中。
本专利技术涉及电化学超级电容器。
技术介绍
超级电容器是一种能够获取位于传统电池和电解电容器之间的功率质量密度和能量质量密度的电容器。总体上，超级电容器的功率质量密度在1000至5000W/kg的范围内，而电解电容器的功率质量密度大于100，000W/kg并且电池的功率质量密度小于150W/kg,并且超级电容器的能量质量密度在0.5至30Wh/kg的范围内，而电解电容器的能量质量密度小于0.lWh/kg并且电池的能量质量密度大于50Wh/kg。超级电容器因此能够存储介于传统的电解电容器和电池之间能量数量并且比电池快地恢复这个能量。大部分当前商业化的超级电容器是根据双层电化学结构来形成的。这种超级电容器大体上被称为电化学双层电容器(EDLC)。EDLC类型的超级电容器由总体上由活性炭制成的两个多孔电极来形成。这种电极浸渍有电解液中并且由绝缘的多孔膜分隔开以允许离子传导。相反符号的两层电荷形成在每一个电极-电解液界面处。超级电容器因此可以示意性地被显示为两个电容器的串联关联，一个在正电极(阴极)处，并且另一个在负电极(阳极)处。当前商业化超级电容器由外部电能源进行电化学充电。当超级电容器放电时，它因此应该连接到待被再充电的外部电能源。对于特定应用而言，期望具有可以无需连接到外部电能源而被再充电的超级电容器。应用的示例是使用超级电容器对诸如起搏器、人造括约肌或者甚至人造心脏提供电力。超级电容器因此能够被植入在生命体、动物或人类中，并且在无需被外部电能源再次充电的情形下进行操作。
技术实现思路
实施例的目标是提供一种克服通常超级电容器的所有缺点或部分缺点的超级电容器。根据实施例的另一目标，超级电容器可以进行再充电而无需连接到外部电能源。 根据实施例的另一目标，超级电容器操作简单。根据实施例的另一目标，超级电容器是可植入在生命体、动物或人类中的。为了实现这些或其他目的的全部或一部分，提供了一种旨在被浸入在包含生物材料和氧化剂的介质中的超级电容器，其中，阳极包括能够对生物材料的氧化进行催化的第一酶以及阴极包括能够对所述氧化剂的还原进行催化的第二酶，并且其中，所述阳极和阴极中的每一个均由与所述第一酶或所述第二酶混合的传导材料的固体簇形成，所述簇具有大于或等于20m2/g的比表面积以及在0.7nm至10 μ m范围内的平均孔尺寸。根据实施例，所述传导材料选自于包括碳纳米管、石墨烯薄片及其混合物的组。根据实施例，所述生物材料为糖并且其中所述第一酶选自于包括葡萄糖氧化酶、乳糖氧化酶、半乳糖氧化酶、果糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶及其混合物的组。根据实施例，所述第二酶选自于包括多酚氧化酶(ΡΡ0)、漆酶、胆红素氧化酶及其混合物的组。根据实施例，所述阳极还包括能够与所述第一酶交换电子的第一氧化还原介体。根据实施例，所述第一介体选自于包括泛醌、二茂铁、二茂钴、N-甲基吩噻嗪、8-羟基喹啉-5-磺酸水合物(HQS)及其混合物的组。根据实施例，所述阴极还包括能够与所述第二酶交换电子的第二氧化还原介体。根据实施例，所述第二介体选自于包括醌、ABTS、二茂锇、二茂钌、钴(II)、四苯基卟啉、锌酞菁及其混合物的组。 根据实施例，所述阳极和阴极的每个簇均附接至电极导线。根据实施例，所述阳极和阴极电极的每一个均被半透性膜包围，所述半透性膜使所述氧化剂和生物材料通过并且不使所述第一酶和第二酶通过。根据实施例，所述阳极和阴极被半透性膜包围在一起，所述半透性膜使所述生物材料和氧化剂通过并且不使所述第一酶和第二酶通过。提供了一种制造超级电容器的方法，其中通过压缩被溶解的混合物来形成阳极和阴极，所述混合物包括传导材料，所述传导材料与第一酶或第二酶相关联，以形成与所述第一酶或第二酶混合的传导材料的固体簇，所述簇具有大于或等于20m2/g的比表面积以及在0.7nm至10 μ m范围内的平均孔尺寸。【附图说明】结合所述附图，本专利技术的前述和其他特征以及益处在以下具体实施例的非限制性说明中被详细地讨论，其中:图1非常示意性地显示了具有固体电极的超级电容器的实施例；图2是图1的超级电容器的阳极或阴极的简化的放大视图；图3以方块图的形式显示了制造图1的超级电容器的方法的实施例；图4非常示意性地显示了超级电容器的另一实施例；图5示出了超级电容器的充电和放电循环的示例；图6显示了当实施图5的充电和放电循环时的跨图1的超级电容器的电压的时间变化的曲线；图7为图6的变化曲线的一部分的放大视图；图8显示出针对超级电容器的两个实施例的、根据跨超级电容器的电压的由超级电容器供给的电力的变化的两条曲线；图9显示了当添加生物可降解燃料以及没有生物可降解燃料被添加时的、跨超级电容器的电压的变化的曲线。【具体实施方式】相同元件在不同的附图中被指定为具有相同的参考数字。为了清晰，仅有助于理解被描述的实施例的那些步骤和元件被显示了并且被详细描述。具体地，相对于彼此用于夹持电极的装置并未被详细描述。在以下描述中，除非另有指示之外，术语“本质的”、“近似的”以及“大约”表示“在10%的范围内”。本专利技术涉及以下超级电容器，其电荷通过转换为可用在可降解基板上的部分能量的电来获取。图1显示了包括阳极体A和阴极体K的超级电容器10的实施例。阳极体A由固体形成，其包括与适当的阳极酶相关的传导材料和可选的氧化还原介体。阳极体A附接至阳极导线12。类似地，阴极体K由固体形成，其由与适当的酶相关的导体和可选的氧化还原阴极介体形成。阴极体K附接至阴极导线14。例如、由铂制成的阳极导线12和阴极导线14被显示为刺入阳极体和阴极体。作为一种变型，它们可以被简单地粘附至这些本体。当外部电路由超级电容器10来提供电力时，电路连接至导线12和14的端部。阳极体A和阴极体K每个均具有:0.7nm至10 μ m微米、优选在2nm至50nm范围内的平均孔尺寸；以及大于或等于20m2/g、优选大于或等于400m2/g的比表面积，和/或在20m2/g至8，000m2/g、优选在100m2/g至2, 000m2/g范围内的开孔度。可以由电扫描显微镜(ESM)、电传送显微镜、阻抗谱(如在公开物ElectrochimicaActa、卷44(1999) ,3513-3519页中具体描述的)、或BET方法来测量平均孔尺寸。BET方法或者Brunauer、Emmett和Teller方法，包括基于由物理吸附吸收的氮的数量来估计比表面积、孔容积以及孔尺寸。可以由在著作“Electro-chemicalMethods:Fundamentals and Applicat1ns，，ofA.J.Bard and L.R.Faukner (John Wiley and Sons, New York, 2000)中具体描述的伏安法或BET方法来测量比表面积。可以由BET方法来测量开孔度。形成阳极体A和阴极体K的传导材料具有大于或者等于10S/m、优选地大于或等于l，000S/m的传导率。传导材料例如对应于碳纳米管、石墨烯薄片或者其混合物。术语碳纳米管被用于指代这样一种中空碳精管，其具有0.7nm至2nm范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旨在被浸入在包含生物材料和氧化剂的介质(15)中的超级电容器(10；30)，其中，阳极(A)包括能够对生物材料的氧化进行催化的第一酶以及阴极(K)包括能够对所述氧化剂的还原进行催化的第二酶，并且其中，所述阳极和阴极中的每一个均由与所述第一酶或所述第二酶(18)混合的传导材料(16)的固体簇形成，所述簇具有大于或等于20m2/g的比表面积以及在0.7nm至10μm范围内的平均孔尺寸。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞尔日·科尼耶，迈克尔·霍尔茨英格尔，艾伦·勒高夫，查尔斯·艾格尼丝，
申请(专利权)人：国家科学研究中心，约瑟夫·傅里叶大学，
类型：发明
国别省市：法国;FR