具有纳米结构电极表面的电润湿电池制造技术

本发明专利技术公开了一种方法和装置，其中，电池包括具有至少一个纳米结构表面的电极。纳米结构表面以下述方式设置：防止电池的电解液接触电极，由此防止当电池不用时电池放电。当电压施加在纳米结构的表面上时，使电解液渗入纳米结构表面并与电极接触，由此激活电池。在一个示意性实施例中，电池是电子封装的集成部分。在另一实施例中，将电池制成单独装置并与电子封装接触。在又一实施例中，把电子封装和附带电池设置在用作军事目标装置的射弹中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及电池，尤其涉及具有至少一个纳米结构电极表面的电池。
技术介绍
在无数应用中的许多有益的装置或结构依靠电池作为电源。如图1所示，示意性的液体单元电池101的特征在于电解液102具备如下的作用过程使电荷在正极104和负极105之间以方向103流动。当把这种电池101插入带有示意性负载108的电路106中时，它完成了让电子以方向107围绕电路106均匀流动的回路。正极由此从外电路106接收电子。然后这些电子以还原反应方式与正极104的材料进行反应，产生了电荷经过电解液102中的离子向负极105的流动。在负极105处，在负极104的材料和流过电解液102的电荷之间的氧化反应产生了过剩的电子，这些电子被释放到外电路106。随着上述过程的继续，正极和负极104和105的活性材料最终分别被耗尽，反应速度减慢直至电池不能再提供电子。在此点处电池放电。众所周知，即使当液体单元电池不插入电路中时，也经常存在与电极104和105的低电平反应，最终耗尽电极材料。因此，即使当电池不是在电路中以活性方式使用，它也可能在一段时间后被耗尽。此时间段根据所用的电解液和电极材料而变化。
技术实现思路
我们已经认识到，本专利技术的最大优势在于能够防止电池在没有使用的情况下放电。此外的优点在于当电池开始放电时能够变化性地进行控制。因此，我们专利技术了一种方法和装置，其中，电池包括具有至少一个纳米结构表面的电极。纳米结构的表面以如下的方式设置防止电池的电解液与电极接触，这样，在电池没有使用时，防止了电池的放电。当把电压施加在纳米结构的表面上时，使得电解液透过纳米结构的表面并与电极接触，由此活化电池。因此，当将活化后的电池插入电路中时，电子沿电路流动。在一个示意性实施例中，电池是电子封装的一个集成部分。在另一个实施例中，将电池制造成单独构件，然后使电池与电子封装接触。在又一个实施例中，在用作军事目标设备的射弹中设置电子封装和相连接的电池。附图说明图1表示在电路中使用的原有技术的液体单元电池；图2表示原有技术的纳米柱(nanopost)表面；图3A、3B、3C、3D和3E表示适合于用在本专利技术中的预定纳米结构的各种原有技术的纳米结构部件图形；图4表示图3C的原有技术纳米结构部件图形的更详细的示图；图5A和5B表示根据本专利技术原理的装置，由此采用电润湿原理以使液滴透过纳米结构部件图形；图6表示图5A和5B的纳米结构部件图形的示意性纳米柱的详图；图7表示根据本专利技术原理的示意性液体单元电池，其中，电池中的电解液通过纳米结构与负极隔离；图8表示图7的示意性电池，其中，使电池中电解液透过纳米结构，由此与负极接触；图9A和9B表示在具有一个或多个激光器的电路中分别使用图7和8的电池的示意性实施例；图10A和10B表示如何将图9A和9B的示意性实施例中的多个装置设置在容器中例如射弹中；和图11表示如何将图10A和10B的射弹用作激光器指定目标。具体实施例方式图2表示示意性纳米柱图形201，各纳米柱209具有小于1微米的直径。虽然图2表示以略微圆锥状形成的纳米柱209，但是也可采取其它形状和尺寸。实际上，已经制造出圆柱状纳米柱阵列，各纳米柱具有小于10nm的直径。具体而言，图3A-3E表示利用各种方法生产的纳米柱的不同示意性阵列，进一步表示这些不同直径的纳米柱可按不同程度的规律性进行设置。此外，这些附图表明，可以生产出具有由不同距离隔开的各种直径的纳米柱。于2001年2月13日公开的、Tonucci等人的、题目为“纳米柱阵列及其制造方法”的美国专利US6185961描述了一种生产纳米柱的示意性方法，在此将这篇专利的全部内容引作参考。可通过各种方法制造纳米柱，例如，利用模板形成纳米柱，各种平版印刷方式和各种刻蚀方法。图4表示图3C的现有技术示意性表面401，具有在基底上设置的纳米柱402的纳米结构部件图形。通过这里的描述，本领域的技术人员将认识到应用于纳米柱或纳米结构的相同原理可同样应用于在部件图形中的微米柱或其它更大的部件。图4的表面401和纳米柱402示意性地由硅制成。图4的纳米柱402示意性地表示为直径约350nm，高度约6μm，中心与中心相距约4μm。对于本领域的技术人员而言，可将这些阵列制造成规则间隔或作为选择制造成不规则间隔是显而易见的。除非另有说明，否则在此采用的“纳米结构”是一种具有至少一个低于1微米的尺寸的预定结构，“微米结构”是一种具有至少一个低于1毫米的尺寸的预定结构。术语“部件图形”是指微米结构的图形或者纳米结构的图形。此外，术语“液体”、“小滴”和“液滴”以可互换的方式在此使用。那些术语的每一个涉及液体或一部分液体，无论是否以小滴的形式。本专利技术人认识到，最好能够控制给定液体向给定纳米结构或微米结构的表面的渗透，并由此控制液体与支撑纳米结构或微米结构的下层基底的接触。图5A和5B表示根据本专利技术原理的一个实施例，其中，采用电润湿来控制液体向纳米结构表面的渗透。在申请日为2003年3月31日、申请号为10/403159中描述了电润湿的原理，该申请的名称为“用于可变地控制液体在纳米结构表面上的运动的方法和装置”，在此将其全部内容引作参考。参见图5A，在如上所述的圆柱形纳米柱502的纳米结构部件图形上设置导电液体(如液体电池中的电解液)的小滴501，这样，小滴501的表面张力使得小滴悬浮在纳米柱502的上部。在这种设置中，小滴仅覆盖各纳米柱的表面区域f1。由导电基底503的表面支撑纳米柱502。小滴501借助具有电压源505的引线504示意性地电连接到基底503。示意性地纳米柱更详细地示于图6中。在此图中，纳米柱502通过材料601与液体(图5A中的501)电绝缘，材料601例如为介质材料的绝缘层。纳米柱进一步通过低表面能量材料602与液体分开，材料602例如为人们熟知的含氟聚合物。这种低表面能量材料使得在液体和纳米柱表面之间获得适当的最初接触角度。对于本领域的技术人员而言，采用具有足够低的表面能量和足够高的绝缘性能的单层材料来代替采用不同材料的两个单层是显而易见的。图5B表明，通过将低电压(例如，10-20伏特)施加到液体501的导电液滴上，使液体501和纳米柱502之间产生电压差。在液体和纳米柱表面之间的接触角减小，小滴501以足够小的接触角沿着纳米柱502的表面在y方向上向下移动并渗入纳米结构部件图形，直至其完全围绕各纳米柱502并与基底503的上表面接触。在此结构中，小滴覆盖各纳米柱的表面区域f2。由于f2＞＞f1，因此在小滴501和纳米柱502之间的整个接触区域比较大，使得小滴501接触基底503。图7表示根据本专利技术原理的示意性电池701，其中，电解液702装在具有保护壁703的容器内。电解液702与正极704接触，但通过纳米结构表面707与负极708分离。纳米结构表面707可以是负极表面，或者作为选择，可以是连接到负极的表面。本领域的技术人员会认识到，纳米结构表面还可以用于与正极接触，可获得类似的有益结果。在图7中，电解液悬浮在该表面的纳米柱顶部，类似于图5A的小滴。将电池701插入如具有负载706的电路705中。当电解液不与负极接触时，基本上在电解液和电池701的电极704和705之间不发生反应，因此不消耗电极材料。因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：电解液；第一电极；和在所述电解液和所述电极之间的纳米结构表面，其中所述纳米结构表面防止电解液与电极接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫菲N克罗潘金，约瑟夫A泰勒，多纳德维斯，
申请(专利权)人：朗迅科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]