适于生物植入的电化学能量源和电子装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及适于生物植入的电化学能量源，该电化学能量源包括可 充电电池和生物燃料电池。本发明专利技术还涉及适于生物植入的电子装置， 所述装置包括至少一个根据本发明专利技术的电化学能量源以及电连接到根据 本发明专利技术的所述电化学能量源的至少一个电子组件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及适于生物植入的电化学能量源。本专利技术还涉及适于生 物植入的电子装置，所述装置包括至少 一个根据本专利技术的电化学能量 源以及电连接到所述电化学能量源的至少一个电子组件。
技术介绍
在二十世纪，能量消耗急剧增加且存在不均衡的能量管理。而这 种需求增长并没有緩和的迹象(尤其是发展国家中)，现在意识到不可 再生资源的短暂及对环境的不可逆转的损害。另外，计算和通信装置 有朝着微型化和便携式发展的趋势。这些能量需求应用需要尤其在诸 如空间和探险这样遥远地点能够长时间地维持操作的小且轻的电源。 再者，医药科学的进步产生了越来越多的可植入电操作的装置(例如， 起搏器)。这些项目需要在极长持续时间工作的电源，因为维护必须通 过外科手术来完成。理想地，可植入装置将利用体内发现的自然燃料 物质，因而只要人或动物活着，将持续汲取功率。生物燃料电池潜在 地负责提供部分地克服这些问题的解决方案。通过将生物燃料电池植 入到活的人或动物体内，生物燃料电池将容易从可再生源汲取容易得 到的生物燃料，诸如从血流汲取葡萄糖，且将它们转换成无危险的副 产品，且产生电力。因为生物燃料电池使用化学能的集中的可再生能 源，生物燃料电池通常具有相对高的能量密度和相对长的寿命，其结 果是生物燃料电池可以做得相对小和轻，因此理想地适于被植入到活 的人或动物体内。尽管已知的可植入生物燃料电池具有若干显著优点， 该已知生物燃料电池的应用还具有若干缺点。已知的微型化生物燃料 电池的主要缺点是，其通常不能运送用于向耦合到该生物燃料电池的 电子装置供电所需的(峰值)功率。由于已知生物燃料电池的一般为 微瓦到毫瓦量级的相对小的功率输出，因此当前应用的数目有限。本专利技术的目的是提供一种改善的可植入电化学能量源，用其可以 获得改善的功率输出。
技术实现思路
该目的可以通过提供根据本专利技术的电化学能量源来实现，该电化学能量源包括衬底；沉积在所述衬底上的至少一个电池叠层(battery stack),该电池叠层包括第一电池电极，第二电池电极，以及分离该 第一电池电极和该第二电池电极的中间固态电解质；以及沉积在所述 衬底上的至少一个生物燃料电池，该生物燃料电池包括生物燃料电 池阳极，生物燃料电池阴极，并且所述生物燃料电池阳极和所述生物电解质腔而被分离。该电化学能量源可以被视为微型化的生物可植入 混合能量源，其中使用该生物燃料电池，化学能被转换为电能，该电 能然后被存储在能够运送所需的峰值功率的可充电电池叠层中。该电 池叠层和该生物燃料电池二者集成地沉积到相同的支撑衬底上，其结 果是，根据本专利技术的集成的电化学能量源的设计通常容易优化。因为 全固态电池叠层的功率密度相对高，相对小的电池叠层通常已经适于 满足功率要求。因为电池叠层包括固态电解质，因此可以消除电解质 的泄漏(通常在液态电解质的情况下发生)。再者，通过在电池叠层中 应用固态电解质，电池叠层的劣化可以被抵消，因为该劣化一般将是 反应物和液态电解质之间的寄生反应的结果。生物燃料电池的生物燃 料/电解质腔用于体液的流通，其结果是生物燃料/电解质的含量将连续 再生(更新)。因此，对于该生物燃料电池而言，生物燃料和电解质具 有基本无穷无尽的储藏，以允许实现电能的连续产生，因此允许电能 到电池叠层的持久存储。用于该生物燃料电池的能量可以通过用作生 物燃料的葡萄糖和用作氧化剂的氧气供给，这些化合物在体液中均是 充裕的。电解质将通过体液的其他部分(诸如血浆)形成。然而，应 当注意，生物燃料电池可以针对诸如酒精或甚至废物材料等各种(其 他)可用燃料工作。再者，生物燃料电池的应用可以导致质子交换膜 (PEM)的消除，因为由于使用的特定(生物)催化剂的应用，该生 物燃料电池阳极和该生物燃料电池阴极不需要分离。可选地，分离的 固态电解质，例如PEM，可以沉积在该生物燃料电池阳极和该生物燃 料电池阴极之间，进入到生物燃料/电解质腔中。然而，期望活性物质 将通过(相对低电阻的)体液而不是通过(通常相对高阻抗的)电解质传输。因此，优选地，应用液态电解质，且更优选地，应用体液。根据本专利技术的电化学能量源例如可用于对诸如微机电系统(MEMS ) 这样的生物可植入微装置以及诸如心脏起搏器、传感器、去纤颤器、 疼痛舒緩刺激器、微观无线通信装置等可植入生物医学装置供电。该第一电池电极优选地包括电池阳极，且该第二电池电极优选地 包括电池阴极。通常，电池阳极和电池阴极在向衬底沉积叠层的过程 中沉积。优选地，根据本专利技术能量源的至少一个电池电极用于存储下 面元素中至少之一的活性物质氢(H)、锂(Li)、铍(Be)、镁(Mg)、铝(A1)、 铜(Cu)、银(Ag)、钠(Na)和钾(K)、或分配到元素周期表的第l族和第2 族的其他合适元素。所以，根据本专利技术的能量系统的电化学能量源可以基于各种插入机制且因此适于形成不同种类的电池，例如，锂离子 电池，NiMH电池等。在优选实施例中，至少一个电池电极，更优选 地电池阳极，包括下面材料中至少之一C、 Sn、 Ge、 Pb、 Zn、 Bi、 Sb、 Li以及优选摻杂的Si。这些材料的组合还可以用于形成(多个) 电池电极。优选地，n型或p型掺杂Si，或者像SiGe或SiGeC这样的 掺杂Si相关的化合物，用作电池电极。而且，倘若电池电极的材料被 用于上述反应物质的插入和存储，其他合适的材料，优选地，分配到 元素周期表第12至16族之一的任意其他合适元素，也可用作电池阳 极。前述材料尤其适于在锂离子电池中应用。在应用氢基能量源的情 况下，电池阳极优选地包括氢化物形成材料，诸如ABs型材料，尤其 是LaMs,以及诸如镁基合金，尤其是MgxTi^。用于锂离子基能量源的电池阴极优选地包括至少一种金属氧化物 基材料，例如，LiCo02、 LiNi02、 LiMn02或这些材料的组合，例如 Li(NiCoMn)02。在氢基能量源的情况下，电池阴极优选地包括Ni(OH)2 和/或NiM(OH)2，其中，M由选自例如Cd、 Co或Bi的一种或多种元 素形成。在根据本专利技术的电化学能量源的优选实施例中，生物燃料电池阳 极和生物燃料电池阴极中至少之一 包括至少 一种催化剂，优选地至少 一种生物催化剂。 一般将需要催化剂以允许燃料电池内或燃料电池上 的特定(电)化学反应，以产生电能。使用的催化剂可以是非生物化 合物，例如，铂、钌、铑或任意其他合适的材料。然而，本领域技术 人员还可以想到应用选择性生物催化剂以允许所需的化学反应。 一般7而言，基于生物催化剂的生物燃料电池分为两个不同的类别；利用活 细胞(微生物燃料电池)的化学路径，以及采用隔离的酶。微生物燃 料电池可以在化学能向电能的转换方面实现高效率；然而，与该方法越细胞;的緩慢质量传递导致的4氐功率密度。对于燃料电池而;，由 于其高催化活性和选择性，隔离的酶是有吸引力的催化剂。通过使用 活性为103 U mg-l的酶催化剂能够产生的理论电流为1.6安培，催化 率大于铂。在尤其优选的实施例中，生物燃料电池阳极和生物燃料电 池阴极中至少一个包括其上沉积至少一种选择性(生物)催化剂的自 组装单层(SAM )。自组装单层(SAM )是由村底上的单层分子组成的 表面。不必使用诸如化学气相沉积或分子束外本文档来自技高网...

【技术保护点】
适于生物植入的电化学能量源，包括：　衬底；和　沉积在所述衬底上的至少一个电池叠层，该电池叠层包括：　第一电池电极，　第二电池电极，以及　分离该第一电池电极和该第二电池电极的中间固态电解质；以及　沉积在所述 衬底上的至少一个生物燃料电池，该生物燃料电池包括：　生物燃料电池阳极，　生物燃料电池阴极，并且　所述生物燃料电池阳极和所述生物燃料电池阴极通过用于接收外部供应的生物燃料／电解质的生物燃料／电解质腔而被分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.9.20 EP 06120967.21.适于生物植入的电化学能量源，包括衬底；和沉积在所述衬底上的至少一个电池叠层，该电池叠层包括第一电池电极，第二电池电极，以及分离该第一电池电极和该第二电池电极的中间固态电解质；以及沉积在所述衬底上的至少一个生物燃料电池，该生物燃料电池包括生物燃料电池阳极，生物燃料电池阴极，并且所述生物燃料电池阳极和所述生物燃料电池阴极通过用于接收外部供应的生物燃料/电解质的生物燃料/电解质腔而被分离。2. 根据权利要求l所述的电化学能量源，其特征在于，该第一电 池电极包括电池阳极，和/或该第二电池电极包括电池阴极。3. 根据权利要求2所述的电化学能量源，其特征在于，该电池阳 极和该电池阴极用于存储至少一种下述元素的活性物质H、 Li、 Be、 Mg、 Cu、 Ag、 Na和K。4. 根据权利要求2或3所述的电化学能量源，其特征在于，该电 池阳极和该电池阴极中至少一个由至少一种下述材料形成C、 Sn、 Ge、 Pb、 Zn、 Bi、 Li、 Sb和优选掺杂的Si。5. 根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量源，其特征在于， 该生物燃料电池阳极和该生物燃料电池阴极中至少之一包括至少一种 催化剂，优选地至少一种生物催化剂。6. 根据权利要求7所述的电化学能量源，其特征在于，该生物燃 料电池阳极和该生物燃料电池阴极中至少一个包括其上沉积了至少一 种催化剂的自组装单层(SAM)。7. 根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量源，其特征在于，器。 、 、 、 8. 根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量源，其特征在于， 该第一电池电极和该第二电池电极均包括电池集流器。9. 根据权利要求7或8所述的电化学能量源，其特征在于，该至 少一个集流器由至少一种下述材料形成Al、 Ni、 Pt、 Au、 Ag、 Cu、 Ta、 Ti、 TaN和TiN。10. 根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量源，其特征在 于，该电池叠层和该生物燃料电池沉积在该衬底的不同侧上。11. 根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量源，其特征在 于，该生物燃料电池和该电池叠层彼此连续堆叠。12. 根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量源，其特征在 于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·W·皮南伯格，P·H·L·诺滕，R·A·H·尼森，J·H·G·奥普赫特维尔德，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL