具有可逆地可變形致動基體的電極和關聯(lián)方法
【專利摘要】一種裝置，包括被電解質（618）隔開的第一電極和第二電極（602，603），第一電極和第二電極（602，603）中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體（619，620），其中致動基體（619，620）的可逆變形引起該裝置的內阻減少。
【專利說明】具有可逆地可變形致動基體的電極和關聯(lián)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性/可伸展電子設備、關聯(lián)方法和裝置的領域并且具體地涉及一種包括致動基體的電存儲裝置，該致動基體被配置用于在致動期間減少可逆變形以減少內阻(這可能造成增加電存儲裝置的開路電壓)。某些公開的示例方面/實施例涉及便攜式電子設備、具體為可以手持使用的所謂手持便攜式電子設備(但是它們可以在使用時放置于座架中)。這樣的手持便攜式電子設備包括所謂的個人數字助理(PDA)。
[0002]根據一個或者多個公開的示例方面/實施例的便攜式電子設備/裝置可以提供一個或者多個音頻/文字/視頻通信功能(例如電信、視頻通信和/或文字傳輸、短消息服務(SMS) /多媒體消息服務(MMS) /電子郵件功能、交互/非交互查看功能(例如web瀏覽、導航、TV/節(jié)目查看功能)、音樂錄制/播放功能(例如MP3或者其它格式和/或(FM/AM)無線電廣播錄制/播放)、下載/讀取數據功能、圖像捕獲功能(例如使用(例如內置)數字相機)和游戲功能)。
【背景技術】
[0003]傳統(tǒng)電池具有特征放電曲線，這些放電曲線表現出初始迅速電壓降、繼而為長久平穩(wěn)。許多電子設備表現出閾值操作電壓。在電池電勢降至這一閾值以下時，設備簡單地停止操作而不是性能隨著電池電勢減少而劣化。然而仍然有在這樣的“空”電池的平穩(wěn)放電狀態(tài)中存儲的顯著數量的閾值以下能量。
[0004]有可能通過加溫電池以增加電勢在設備的閾值電平以上來暫時恢復這一閾值以下能量。這一方法通過增加在電池內的電化學反應速率來工作、但是不適合于與其中電池劣化速率很大取決于溫度的現代鋰離子電池一起使用。
[0005]這里公開的裝置和方法可能解決或者可能未解決這一問題。
[0006]在說明書中列舉或者討論先前公開的文獻或者任何【背景技術】不應必然視為承認該文獻或者背景是現有技術的部分或者是公知常識。本公開內容的一個或者多個方面/實施例可能解決或者可能未解決背景問題中的一個或者多個問題。

【發(fā)明內容】

[0007]根據第一方面，提供一種裝置，該裝置包括被電解質隔開的第一電極和第二電極，第一電極和第二電極中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體，其中致動基體的可逆變形引起裝置的內阻減少。
[0008]致動基體的可逆變形可以增加在至少一個電極與電解質之間的接觸面積以引起內阻減少。
[0009]至少一個電極可以包括在致動基體上或者內的有源材料。致動基體的可逆變形可以增加有源材料與電解質之間的接觸面積以引起內阻減少。
[0010]術語“有源材料”可以視為意味著參與裝置的充電/放電機構的電極材料。在電池中，例如有源材料可以是參與電化學反應或者穿插(intercalation)機制的電極材料。在另一方面，在超級電容器中，有源材料可以是參與形成電雙層的電極材料。
[0011]術語“電解質”可以視為意味著任何隔開裝置的電極的任何材料并且因此可以涵蓋如在常規(guī)靜電電容器中使用的電絕緣材料(例如電介質)以及如在電解質電容器和超級電容器中使用的導電材料。
[0012]有源材料和電極中的至少一項可以是可逆地可變形。有源材料可以包括以下各項中的至少一項:石墨烯、石墨烯薄片(graphene platelet)、銀納米線網、娃納米線、碳納米管或者金屬氧化物漿料。電解質可以是聚合物電解質。聚合物電解質可以是聚酯和聚乙二醇中的至少一項。聚合物電解質可以包括硼酸鹽摻雜物。
[0013]致動基體可以包括彈性體。彈性體可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的至少一項。
[0014]至少一個電極可以包括電荷收集器。
[0015]第一電極和第二電極可以各自包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體。
[0016]該裝置可以是電存儲裝置。該裝置可以被配置用于生成(例如經由氧化還原反應或者穿插機構)和/或存儲(例如經由電荷分離)電能。該裝置可以是原電池(primarybattery)、二次電池(secondary battery)、靜電(常規(guī))電容器、電解質電容器、超級電容器或者電池-電容器混成物(battery-capacitor hybrid)。該裝置可以是鋰電池、鋰離子電池或者鋰離子電容器。
[0017]致動基體可以被配置用于機械致動(例如彎曲、壓縮、伸展等)、熱致動和壓電致動中的一項或者多項。致動基體可以被配置用于經歷拉伸、壓縮、成卷和剪切應變中的至少一項。
[0018]至少一個電極可以包括加熱元件。加熱元件可以包括導電材料(比如金或者銅)。加熱元件可以被配置用于增加致動基體的溫度并且經由熱膨脹引起致動基體的可逆變形。
[0019]至少一個電極可以包括壓電材料、比如鋯鈦酸鉛(PZT)或者聚偏二氟乙烯(PVDF)。壓電材料可以被配置用于在暴露于施加的電場時經歷可逆變形。
[0020]該裝置可以包括多于兩個電極(即多個電極對)。這一特征與包括單個電極對的裝置比較可以實現生成和/或存儲更大量電能。每個電極對的電極可以被電解質隔開。
[0021]根據又一方面，提供一種包括這里描述的任何裝置的設備。該設備可以是以下各項中的至少一項:電子設備、便攜式電子設備、便攜式電信設備以及用于前述設備中的任何設備的模塊。
[0022]該設備可以包括用于實現對致動基體致動的致動機構。致動機構可以實現控制加熱元件。致動機構可以實現控制電場。
[0023]致動機構可以實現機械壓縮致動基體。致動機構可以包括用于控制壓縮致動基體的程度的至少一個螺桿。該裝置可以具有卷起(roll-up)外形。致動機構可以經由收緊卷來實現壓縮致動基體。致動機構可以經由施加與卷的長度垂直的力實現壓縮致動基體。
[0024]該設備可以包括用于維持當前機械壓縮水平的鎖定機構。鎖定機構可以包括可釋放棘齒(ratchet)。可釋放棘齒可以包括用于允許機械壓縮程度的逐步變化的多個齒。
[0025]根據又一方面，提供一種方法，該方法包括:沉積第一電極材料；在第一電極材料上面沉積電解質材料；以及在電解質材料上面沉積第二電極材料以形成包括被電解質隔開的第一電極和第二電極的裝置，第一電極和第二電極中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體，其中致動基體的可逆變形引起該裝置的內阻減少。
[0026]可以使用印刷或者涂覆過程來沉積第一電極材料、電解質材料和第二電極材料中的至少一項。沉積第一電極材料和/或第二電極材料可以包括沉積致動基體材料、有源材料和電荷收集材料中的至少一種材料。該方法可以包括在沉積第一電極材料、電解質材料和/或第二電極材料之后施加熱和/或壓力。
[0027]該方法可以在沉積第一電極材料和/或第二電極材料之后包括以下步驟:沉積抗蝕劑層；使抗蝕劑暴露于電子束或者電磁照射；并且在暴露之后顯影抗蝕劑以產生圖案化的抗蝕劑分布圖。該方法還可以包括在沉積第一電極材料或者第二電極材料之后去除抗蝕劑以分別產生第一電極材料或者第二電極材料的圖案。
[0028]該方法可以在沉積第一電極材料和/或第二電極材料之后包括以下步驟:沉積抗蝕劑層；使抗蝕劑暴露于電子束或者電磁照射；在暴露之后顯影抗蝕劑以產生圖案化的抗蝕劑分布圖；分別蝕刻第一電極材料或者第二電極材料以產生第一電極材料或者第二電極材料的圖案；并且去除抗蝕劑。
[0029]根據又一方面，提供一種方法，該方法包括:提供/使用包括被電解質隔開的第一電極和第二電極的裝置，第一電極和第二電極中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體，其中致動基體的可逆變形引起裝置的內阻減少；以及對致動基體進行致動。
[0030]除非明確陳述或者本領域技術人員理解，則無需按照公開的確切順序執(zhí)行這里公開的任何方法的步驟。
[0031]根據又一方面，提供一種在載體上記錄的計算機程序，該計算機程序包括被配置用于執(zhí)行這里描述的任何方法的計算機代碼。
[0032]該裝置可以包括被配置用于處理計算機程序的代碼的處理器。處理器可以是包括專用集成電路(ASIC)的微處理器。
[0033]無論是否單獨或者在各種組合中具體陳述(包括要求保護)，本公開內容都在該組合中或者單獨包括一個或者多個對應方面、示例實施例或者特征。用于執(zhí)行討論的功能中的一個或者多個功能的對應裝置也在本公開內容內。
[0034]用于實施公開的方法中的一種或者多種方法的對應計算機程序也在本公開內容內并且為描述的示例實施例中的一個或者多個示例實施例所包括。
[0035]以上
【發(fā)明內容】
旨在于僅為示例和非限制的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]現在參照附圖僅通過示例給出描述，在附圖中:
[0037]圖1a示意地圖示常規(guī)電池的放電過程；
[0038]圖1b示意地圖示常規(guī)電池的充電過程；
[0039]圖2a示意地圖示鋰離子電池的放電過程；
[0040]圖2b示意地圖示鋰離子電池的充電過程；
[0041]圖3a示意地圖示超級電容器的充電過程；
[0042]圖3b示意地圖示超級電容器的放電過程；[0043]圖4a示意地圖示鋰離子電容器的充電過程；
[0044]圖4b示意地圖示鋰離子電容器的放電過程；
[0045]圖5a示意地圖示包括液體電解質的可逆地可變形電存儲裝置；
[0046]圖5b示意地圖示包括固體或者膠體電解質的可逆地可變形電存儲裝置；
[0047]圖6示意地圖示在壓縮和拉伸力的影響之下的可逆地可變形電存儲裝置；
[0048]圖7示意地圖示制作可逆地可變形電存儲裝置的方法；
[0049]圖8示意地圖示致動機構和鎖定機構；
[0050]圖9示意地圖示具有卷起外形的可逆地可變形電存儲裝置；
[0051]圖1Oa在橫截面中示意地圖示被配置用于熱致動的致動基體；
[0052]圖1Ob示出嵌入的加熱器需要的功率如何隨溫度變化；
[0053]圖1Oc示出嵌入的加熱器的溫度在加熱和后續(xù)冷卻循環(huán)期間如何隨時間變化；
[0054]圖1la示意地圖示被配置用于單軸壓電致動的致動基體；
[0055]圖1lb示意地圖示被配置用于徑向壓電致動的致動基體；
[0056]圖1Ic示出為了實現1%應變所需的電勢差如何隨電極間距變化；
[0057]圖12示意地圖示包括可逆地可變形電存儲裝置的裝置；
[0058]圖13示意地圖示制作可逆地可變形電存儲裝置的方法；
[0059]圖14示意地圖示減少可逆地可變形電存儲裝置的內阻的方法；并且
[0060]圖15示出提供用于控制可逆地可變形電存儲裝置的制作和/或使用的計算機可讀介質。
【具體實施方式】
[0061]在電路中，電池和電容器用來向其它部件提供電功率。然而這些功率供應以完全不同的方式操作。
[0062]電池使用電化學反應生成電力。在圖1a中示出常規(guī)電池的放電過程。電池包括被電解質101隔開的兩個電端子(電極102、103)。電池也可以包含用于防止電極之間的直接物理接觸一這在使用液體電解質時特別重要一的分隔器110。在負電極(陽極102)，氧化反應發(fā)生，該氧化反應產生電子。這些電子繞著外部電路105 (箭頭104所示)從陽極102流向正電極(陰極103)從而使還原反應在陰極103發(fā)生。電子流可以用來向外部電路105中的一個或者多個電部件106供電。氧化和還原反應可以繼續(xù)直至完全轉換反應物。然而重要的是，除非電子能夠經由外部電路105從陽極102流向陰極103，電化學反應就不能發(fā)生。這允許電池長時間段地存儲電力。在電子繞著外部電流從陽極102流向陰極103時，負電荷可以在陰極103周圍的電解質101中形成，并且正電荷可以在陽極102周圍的電解質101中形成。在電解質101中的正離子107和負離子108移動中和這些電荷云從而允許反應和電子流繼續(xù)。無來自電解質101的離子107、108，在每個電極102、103周圍的電荷云將禁止生成電力。
[0063]原電池(primary cell)是其中電化學反應不可逆的任何種類的電池。這些電池被用作一次性電池。在另一方面，對于二次電池，電化學反應可逆，這意味著化學反應物可以恢復成它們的原有狀態(tài)。這些用作可再充電電池。在圖1b中示出常規(guī)可再充電電池的充電過程。為了對電池充電，在陽極102與陰極103之間施加電勢差。充電器109的正端子從陰極103剝離電子并且使它們返回到陰極102 (箭頭111所示)從而在電極-電解質界面引起化學反應。同樣，為了補償電荷轉移，在電解質101中的正離子107和負離子108在與前面相反的方向上在電極102、103之間移動。
[0064]電池生成的電流和電壓與用于電極和電解質的材料直接有關。一種材料相對于另一材料失去或者獲得電子的能力稱為它的電極電勢。氧化和還原劑的強度由它們的標準電極電勢指示。具有正電極電勢的材料用來形成陽極，而具有負電極電勢的材料用來形成陰極。陽極與陰極電勢之間的差值越大，電池可以產生的電能的量就越大。
[0065]鋰在電化學序列的頂部(大的負電極電勢)出現，這指示它是最強還原劑。類似地，氟在電化學序列的底部(大的正電極電勢)出現，這指示它是最強氧化劑。由于鋰的高電極電勢，鋰電池能夠產生在鋅-碳或者堿性電池的電壓的兩倍以上的接近4V電壓。
[0066]根據用于陽極、陰極和電解質的材料選擇，鋰電池的電流、電壓、容量、壽命和安全性可能急劇改變。近來已經采用新穎架構以提高這些電池的性能。純鋰很有反應性并且將與水激烈反應形成氫氧化鋰和氫氣。出于這一原因，使用非水合電解質，并且使用密封的容器將水排除于電池組。
[0067]換言之，許多不同鋰電池由于鋰與許多陰極和非水合電解質的低反應性而存在。術語“鋰電池”是指包括鋰金屬或者鋰化合物作為陽極而大量不同材料用于陰極和電解質的不同化學物家族。有孔碳材料經常用作為用于從外部電路接收電子的陰極電荷收集器。
[0068]鋰離子電池是使用鋰離子“穿插”機構而不是傳統(tǒng)氧化還原反應的不同可再充電電池類型。這涉及到在離子在充電和放電期間在電極之間來回通行時向電極的晶體結構中插入和從晶體結構取出鋰離子。為了實現這一點，電極需要開放的晶體結構，這些結構允許插入和提取鋰離子并且有能力同時接受補償電子。這樣的電極稱為“穿插宿主”。鋰離子電池當前是用于最流行便攜式電子設備類型之一，因為它們表現出最佳能量與重量之比之一、無記憶效應和在未使用時緩慢損失電荷。
[0069]在典型的鋰離子電池中，陽極由碳制成，陰極是金屬氧化物，并且電介質是在有機溶劑中的鋰鹽。在商用上，最流行的陽極材料是石墨，并且陰極一般是三種材料之一:分層氧化物(比如氧化鈷鋰)、基于聚陰離子的材料(比如磷酸鐵鋰)或者尖晶石(比如氧化鎂鋰)。電解質通常是有機碳酸鹽的混合物、比如包含鋰離子絡合物的碳酸乙烯酯或者碳酸二乙酯。這些非水合電解質經常包括非配位陰離子鹽、比如六氟磷酸鋰(LiPF6)、單水六氟砷酸鋰(LiAsF6)、高氯酸鋰(LiC104)、四氟硼酸鋰(LiBF4)和三氟甲磺酸鋰(LiCF3SO3)15
[0070]圖2a和圖2b分別示意地圖示鋰離子電池的放電和充電過程。如圖中所示，陽極202和陰極203各自包括在電荷收集基體214上面沉積的開放晶體穿插材料213。在放電期間，鋰離子212從陽極202被提取、跨越電解質201遷移并且向陰極203的晶體結構中插入。同時，補償電子在外部電路中行進(在箭頭204所示方向上)并且被陰極203接受以平衡反應。這一過程完全可逆。在充電期間，外部電功率源(充電器209)在電極202、203之間施加電勢差從而迫使電子在相反方向(箭頭211所示)上行進。鋰離子212然后從陰極203被提取、遷移跨越電解質201并且被插入回陽極202的晶體結構中。
[0071]在鋰離子電池中，向陰極和陽極和從其運送鋰離子而LixCoO2中的過渡金屬鈷(Co)在充電期間從Co3+氧化成Co4+而在放電期間從從Co4+還原成Co3+。用于包括石墨陽極和氧化鈷鋰陰極的鋰離子電池的陽極和陰極半反應如下:[0072]陽極
【權利要求】
1.一種裝置，包括被電解質隔開的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體，其中所述致動基體的可逆變形引起所述裝置的內阻減少。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述致動基體的可逆變形增加所述至少一個電極與所述電解質之間的接觸面積以引起所述內阻減少。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個電極包括在所述致動基體上或者在其內的有源材料，并且其中所述致動基體的可逆變形增加所述有源材料與所述電解質之間的接觸面積以引起所述內阻減少。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中所述有源材料和所述電解質中的至少一項可逆地可變形。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述致動基體包括彈性體。
6.根據權利要求3所述的裝置，其中所述有源材料包括以下各項中的至少一項:石墨烯、石墨烯薄片、銀納米線網、硅納米線、碳納米管或者金屬氧化物漿料。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電解質是聚合物電解質。
8.根據權利要求1所述的裝置，其中所述裝置是電池、超級電容器或者電池-電容器混成物。
9.根據權利要求1所述的裝置，其中所述致動基體被配置用于機械致動、熱致動和壓電致動中的一項或者多項。
10.根據權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個電極包括加熱元件，所述加熱元件被配置用于增加所述致動基體的溫度并且經由熱膨脹引起所述致動基體的可逆變形。
11.根據權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個電極包括壓電材料，并且其中所述壓電材料被配置用于在暴露于施加的電場時經歷可逆變形。
12.—種設備，包括根據權利要求1所述的裝置。
13.根據權利要求12所述的設備，其中所述設備是以下各項中的至少一項:電子設備、便攜式電子設備、便攜式電信設備和用于前述設備中的任何設備的模塊。
14.根據權利要求12所述的設備，其中所述設備包括用于實現致動所述致動基體的致動機構。
15.根據權利要求14所述的設備，其中所述至少一個電極包括加熱元件，所述加熱元件被配置用于增加所述致動基體的溫度并且經由熱膨脹引起所述致動基體的可逆變形，并且其中所述致動機構實現控制所述加熱元件。
16.根據權利要求14所述的設備，其中所述至少一個電極包括壓電材料，所述壓電材料被配置用于在暴露于施加的電場時經歷物理可逆變形，并且其中所述致動機構實現控制所述電場。
17.根據權利要求14所述的設備，其中所述致動機構實現機械壓縮所述致動基體。
18.根據權利要求17所述的設備，其中所述設備包括用于維持當前機械壓縮水平的鎖定機構。
19.一種方法,包括: 沉積第一電極材料； 在所述第一電極材料上面沉積電解質材料；以及在所述電解質材料上面沉積第二電極材料以形成包括被電解質隔開的第一電極和第二電極的裝置，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體，其中所述致動基體的可逆變形引起所述裝置的內阻減少。
20.—種方法,包括: 提供/使用包括被電解質隔開的第一電極和第二電極的裝置，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個電極包括被配置用于在致動期間經歷可逆變形的致動基體，其中所述致動基體的可逆變形引起所述裝置的內阻減少；以及致動所述致 動基體。
【文檔編號】H01G9/048GK103608953SQ201280029025
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年6月6日 優(yōu)先權日:2011年6月15日
【發(fā)明者】Z·拉迪沃杰維克, 魏迪, S·哈奎, P·安德魯 申請人:諾基亞公司