纳米管电池

阅读:861发布:2020-05-12

专利汇可以提供纳米管电池专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种将机械 变形 转换为 电流 的装置,这些机械变形是由于在所述装置的一部分上产生的液体压 力 所产生的。该装置被整合到一个可植入的 导管 内,并插入病人的心血管系统内。该装置的目的是对 电池 充电,该电池储存了用于其它可植入装置的多种用途的 能量 。,下面是纳米管电池专利的具体信息内容。

1.一种发电装置,包括:
a)第一柔性的液体封闭的圆形突出部;
b)第二柔性的液体封闭的圆形突出部;
c)具有比每个所述第一和第二柔性的液体封闭的圆形突出部更低液体容量的狭窄通道,形成在第一和第二柔性的液体封闭的圆形突出部之间的传递通道;以及d)所述狭窄通道还包括至少一层金属纳米管MNT’s,选自单壁碳纳米管SWNT’s或者多壁碳纳米管MWNT’s,它的相对的两端被设置为朝向在所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部与所述狭窄通道之间的接合处,并朝向所述第二柔性的液体封闭的圆形突出部与所述狭窄通道之间的接合处,它的相对的两端与分离的电极电连接。
2.根据权利要求1所述的发电装置,其特征在于:所述柔性的液体封闭的圆形突出部都充满了可电离的化合物溶液。
3.根据权利要求1所述的发电装置,其特征在于:所述一个圆形突出部的至少一部分是受到周期压而变化的,该圆形突出部与另一个圆形突出部相分离,以致电解液是周期性地通过MNT阵列出,以产生电流或者在分离的电极之间产生电荷。
4.根据权利要求1所述的发电装置,还包括:多个基层,用于支持在所述狭窄通道内的MNT’s,多个堆叠的MNT’s设置在所述基层上,形成多个居间通道供所述可电离的液体在其中流动。
5.根据权利要求1所述的发电装置,还包括:至少一个基层,用于支持所述MNT’s,其中,在所述狭窄通道内的MNT是MNT的螺旋缠绕阵列,被设置在所述基层上,具有居间通道供可电离的液体在所述螺旋缠绕阵列之间流动。
6.根据权利要求1所述的发电装置,其特征在于:所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部、第二柔性的液体封闭的圆形突出部与具有比每个圆形突出部更低液体容量的所述狭窄通道之间形成一个哑铃形状。
7.根据权利要求1所述的发电装置,其特征在于:所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部、第二柔性的液体封闭的圆形突出部都具有柔软的聚合体膜。
8.根据权利要求7所述的发电装置,其特征在于:所述较低液体容量的狭窄通道具有比所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部、第二柔性的液体封闭的圆形突出部的柔软的聚合体膜更硬的壁。
9.根据权利要求7所述的发电装置,其特征在于:所述较低液体容量的狭窄通道具有比所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部、第二柔性的液体封闭的圆形突出部的柔软的聚合体膜更厚的壁。
10.一种可植入的发电装置,包括:
a)第一柔性的液体封闭的圆形突出部;
b)第二柔性的液体封闭的圆形突出部;
c)具有比每个圆形突出部更低液体容量的狭窄通道,形成在两个圆形突出部之间的传递通道;
d)罐头,将所述第一和第二柔性的液体封闭的圆形突出部的其中之一设置在该罐头内,所述罐头使装入其内的所述圆形突出部的与周围环境的压力相隔离;
e)用于支持至少一个所述柔性圆形突出部、所述狭窄通道与所述罐头的导管或者导道,而另一个不设置在所述罐头内的圆形突出部是至少间接地暴露给所述导管的外部环境;
f)其中所述柔性的液体封闭的圆形突出部都充满了可电离的化合物溶液;
g)所述狭窄通道还包括至少一层金属碳纳米管MNT’s,选自单壁碳纳米管SWNT’s或者多壁碳纳米管MWNT’s,它的相对的两端被设置为朝向在所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部与所述狭窄通道之间的接合处,并朝向所述第二柔性的液体封闭的圆形突出部与所述狭窄通道之间的接合处,它的相对的两端与分离的电极电连接;
h)在不设置在所述罐头内的所述圆形突出部上的周期压力变化导致将所述可电离的溶液周期性地通过所述MNT的至少一层泵出,以产生电流或者在分离的电极之间产生电荷。
11.根据权利要求10所述的可植入的发电装置,其特征在于:所述不设置在所述罐头内的另一个圆形突出部是直接暴露给所述导管的外部环境的。
12.根据权利要求10所述的可植入的发电装置,其特征在于:所述不设置在所述罐头内的圆形突出部是设置在所述导管或导道的一端。
13.根据权利要求10所述的可植入的发电装置,其特征在于:所述不设置在所述罐头内的圆形突出部是设置在所述导管或导道的两端之间。
14.根据权利要求10所述的可植入的发电装置,还包括:至少一个基层,用于支持所述MNT’s,其中,在所述狭窄通道内的MNT是MNT的螺旋缠绕阵列,被设置在所述基层上,具有居间通道供可电离的液体在所述螺旋缠绕阵列之间流动。
15.根据权利要求10所述的可植入的发电装置,还包括:多个基层,用于支持在所述狭窄通道内的MNT’s,多个堆叠的MNT’s设置在所述基层上,形成多个居间通道供所述可电离的液体在其中流动。
16.根据权利要求10所述的可植入的发电装置,还包括:
a)电池
b)二极管电桥;
c)其中在所述MNT液流电池的第一和第二相对末端的分离的电极分别与所述二极管电桥的相对末端以信号连通,所述二极管电桥的剩下的两个末端连接到所述电池,因而流过所述MNT液流电池的液体导致对所述电池的充电。
17.一种充电电路,包括:
a)电池;
b)二极管电桥;
c)MNT液流电池,具有第一和第二相对的末端;
d)其中在所述MNT液流电池的第一和第二相对末端分别与所述二极管电桥的相对末端以信号连通,所述二极管电桥的剩下的两个末端连接到所述电池,因而流过所述MNT液流电池的液体导致对所述电池的充电。
18.根据权利要求17所述的充电电路,其特征在于:所述第一和第二相对末端的至少一个是外形上偏斜的。
19.根据权利要求17所述的充电电路,其特征在于,所述MNT液流电池包括:
a)第一柔性的液体封闭的圆形突出部;
b)第二柔性的液体封闭的圆形突出部;
c)具有比每个圆形突出部更低液体容量的狭窄通道,形成在两个圆形突出部之间的传递通道;
d)所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部、第二柔性的液体封闭的圆形突出部与具有比每个圆形突出部更低液体容量的所述狭窄通道之间形成一个哑铃形状。
20.根据权利要求19所述的充电电路,其特征在于:所述第一柔性的液体封闭的圆形突出部、第二柔性的液体封闭的圆形突出部都具有柔软的聚合体膜。

说明书全文

纳米管电池

技术领域

[0001] 本发明涉及适用于植入的微型发电设备,通过植入的医疗装置来产生所要的电。

背景技术

[0002] 当诸如起搏器、ICD’s及其他可植入的医疗装置在日益复杂的环境中培育时,它们都需要一个电源。对于病人而言,在医疗装置中植入一个电池是最方便的,以避免外接一个外部电源,该外部电源可能成为感染源、炎症源等。然而,电池的使用寿命有限,用完需要更换,或者在该医疗装置电消耗上的放置电池设计的约束,因此在功能上导致它是比那些非侵入式装置所能获得的功能更少。
[0003] 因此,人们需要高密度和高效率的发电电池,该电池是生物相容的,用于可植入的医疗装置,无须更换或者补充电池,当电力用完时,由活的生物体发电,或者从活的生物体中获得电力。

发明内容

[0004] 在本发明中,第一个目的是提供多个金属碳纳米管(多壁的或单壁的)与相对的电极接触,在容纳电解液的两个柔性蓄池之间以液体连通。
[0005] 两个圆形突出部的其中一个的至少一部分形成了哑铃状的装置,以触感连通血液,以致每次脉搏导致重复的收缩,内部液体通过碳纳米管或通道的出会产生一次充电。
[0006] 本发明的上述的和其它的目标、效果、特征和优点将从所附的实施方式的说明并结合所附的附图中得以更清楚地阐明。
[0007] 附图简要说明
[0008] 图1是与装置100的纳米管的一部分的电极和金属纳米管相关的液流的示意图;
[0009] 图2是显示用于现有技术的碳纳米管组件的诱导电压偏压的函数关系的图表;
[0010] 图3是用于装置100的充电电路的代表图;
[0011] 图4是装置100的液流电池400的一部分的部分剖开示意图;
[0012] 图5是在图4中所示的装置100的液流电池部分的横截面立视图;
[0013] 图6是在图5中在相对的液流室之间的狭窄残留部分的碳纳米管部分的剖开示意图;
[0014] 图7是在对应于如图5所示的横截面图的2-D图内的实施设计的柔性部分的FEM模式替换的结果;
[0015] 图8是在对应于如图5和图7所示的横截面图的2-D图内的实施设计的柔性部分的流速场的FEM模式替换的结果;
[0016] 图9是所述装置的另一个实施方式的中央部分的横截面图;
[0017] 图10是图1-9的任意所述装置被设置在导管或可植入的导道的端部的一个实施方式的横截面图;
[0018] 图11是图1-9的任意所述装置被设置在例如导管或可植入的导道的某一部分的一个实施方式的横截面图。
[0019] 说明书详述
[0020] 参见图1,通过11指示该图内有一个新的改良的碳纳米管电池,这里类似的参考数字是在不同的视图中指示类似的部件,所述装置在这里一般用标号100指示。
[0021] 已知的导电性碳纳米管是金属碳纳米管(MNT),为多壁碳纳米管(MWNT)或者单壁碳纳米管(SWNT),与流动液体相接触,提供独特的微流系统,该系统提供在液体和固体基层之间的紧密原子接触的大界面。这将会导致在纳米管内的自由电荷载体与载流动液体内的微粒的强耦合,尤其当该溶液的性质是极性溶液或者离子溶液时。
[0022] 由于导电的纳米管的准一维的电荷载体夹带作用,这个耦合效应预期会更为增强。液流的这个效应诱导在MWNT内产生电流,参见Kral P & Shapiro,2001,Phys.Rev.Lett,86,131。近来,在SWNT束上的多种液体的流动通过实验来进行研究,并发现在样品中沿着流动的方向产生电压,参见S.Ghosh,A.K.Sood,S.Ramaswamy,和N.Kumar的教导。液流诱导的在碳纳米管内产生的电压和电流,参见Physical Review B 70,205423,2004,引用在这里作为参考。
[0023] 然而,非常出乎意料地,发现与流速相关的电压是非线性的,并可能符合一个对数形式,超过流速的变化的五个十位。
[0024] 图1是装置100的纳米管部分11的示意图,根据Ghosh等人的教导,它也可用作测量电流和电压的实验性设置。由弧放电方法制备的SWNT束105被放置在两个金属电极111和112之间,纳米管105由支持作用的绝缘基层106保持在它们的位置。相同的绝缘体
106也显示为被用作在纳米管105的部分之上的覆盖物,该部分纳米管105由电极111和
112所覆盖。这个构造是优选的,尤其用于在图6中所示的堆叠部分11。沿着图1中所示的箭头10的液体流动方向(UL)来测量电信号
[0025] 与诱导的电压和电流相关的液流的实验关系式是由Ghosh在此所教导的。
[0026]
[0027]
[0028] 这里,v0是指参考流速,u是流速,I0是起始测量的电流,U0是起始测量的电压。需注意,I0和U0都是常量。
[0029] 在实验中,采用1M NaCl水溶液,这导致该液流诱导的电压为:
[0030] 对于v0=5×10-4m/s,则U0=30mV,而 Ω,此时L=0.5cm,H=2cm,h=70μm。
[0031] 纳米管膜的总体积为V0=7mm3。
[0032] 液流诱导的功率由下式给出:
[0033]
[0034] 该碳纳米管膜的每单位容量所产生的功为W=P/V0。
[0035] 例如,如果u=1cm/sec,则P=0.11mW或者W=16μW/mm3。因此,如果例如所3
述装置的可用容量是1cm,则可产生16mW的功率。能被用于对电池充电的最大功率是该值的一半。
[0036] Ghosh等人也认为,与液流方向相关的液流诱导电流的方向与偏压VB成函数关系(如在Ghosh参考文献的图2中所示,在这里引用作为图2)。该电势使SWNT相对于浸入液流室内的金标电极偏压,接近于在图2的插图中所示的样品。对于0.01M KCl水溶液(传导率为1.4mS/m)与对于固定流速0.04cm/s的液流诱导的电压VB的量值和信号的依赖关系显示在图2中。可见,液流诱导的信号是正的,也就是,当VB为正时,I是与u逆平行的;而信号是相反的,也就是,当VB为负时,I是与u平行的。
[0037] 这样,根据电流I平行(逆平行)于u,在纳米管内的电荷载体需要是多孔(电极)。
[0038] 当所述纳米管正向偏压时,阴离子Cl-、OH-移向接近SWNT,定位于碳表面的孔穴内,并使这些电极能用于液流诱导的电流。类似地,当偏压是负时,这些孔穴被解放出来。当偏压增加时,在液流诱导电流内参与的电荷载体的数量也增加,如图2所示。
[0039] 在上述实验中,电压对于VB=0.5V增加了超过50倍。假设由纳米管膜偏压导致的功率损耗显著低于由该膜自身产生的功率,我们可算出从该碳纳米管膜的单位容量所产生的最大功率,如下:
[0040]
[0041] 这里G是由于偏压效应的增益系数,例如,u=1cm/sec与G=50时,装置的Vmax3
=20mW/mm。
[0042] 图3是所描述的液流诱导的电池装置100的电路示意图。正如在上面的图2中可见,在图1中所示的装置100,具有相对的电极111和112,分别连接到二极管电桥110的相对端,电池120依次连接到二极管电桥110的两个剩下的端。这样,无论在电极111和112之间的电子流的方向如何,来自电桥110的电流将流向对电池120充电。
[0043] 图4显示了装置100的液流电池400的一部分的模式图,该装置100随意地放置,在其他实施方式中所示,作为侵入式、可移植的电能收获装置。液流电池400提供了对于液流的周期性流动的装置,优选地容纳了离子,例如上面所述的KCl水溶液,在如图1所示的纳米管部分和电极之上。该模式模拟了液体的流体动力学。该结构是由以下组成:弹性的、密封的、多聚物外壳(该壳是生物相容性的),诸如、尼龙等化合材料。
[0044] 优选地,液流电池400具有总体上哑铃状的形状,显示为:每一端为基本上球形或椭圆形的室或圆形突出物401和402,相对的室或圆形突出物分别由狭窄的颈部或通道415连接,该颈部或通道415包含MNT’s。如图所示。该装置100插入一导管内,在这种方式下,该装置的其中一个圆形突出物暴露到血液中,而其他部分则不暴露(定位在导管内)。装置100的已连接的圆形突出部401和402的内部分410充满了可电离的液体,例如多种盐的水溶液。液流电池400也可以具有除了这里所示的哑铃形以外的其他形状。
[0045] 在给出的实施例中,外壳的壁416在最远离两个圆形突出物之间的通道415的接近顶点的最薄的位置的厚度约为1.25mm。然而,需要明确的是,该壁的厚度可以根据所建造的材料的相容性来改变。
[0046] 施加在装置100的液流电池400的圆形突出物或暴露部分之上的压力,导致暴露部分或圆形突出物收缩,推动在单壁碳纳米管(位于所述装置的中部一一以暗灰色标出)内的液体,使该装置的未暴露部分膨胀。在单壁碳纳米管上的液体的流动会产生对电池充电所需的电流(关于该物理现象的解释在这里做出更详细的描述)。
[0047] 图5显示了在图4中所示的装置100的横截面视图;在该装置的中间的黑色部分包含了单壁碳纳米管,而在该装置的每侧的两个“空的”孔包含了从该装置的一个圆形突出物流向另一个圆形突出物的液体。两个电引线连接到两个电极(这些电极与碳纳米管接触);需注意的是,这些电极并不干涉从装置的一侧流向另一侧的液体的流动,反之亦然。
[0048] 图6A和图6B显示了在所述装置内的单壁碳纳米管的内部结构的一个实施方式。图6A和图6B是MNT膜的堆叠与相关电极111和112的直截面,每个均为图1所示的装置子部分,它们被标记为图中的11、11’、11”和11”’。通用电极111的子部分11、11’、11”和11”’以平行方式连通总线电极121。另一个普通总线将连接相对的电极112。这种堆叠的布置提供了子通道601以致液体能在MNT装置100的液体蓄水池400的每个圆形突出物
401和02之间流动。优选地,该纳米管组装在一个膜结构(几十个微米厚度),并采用不同金属锚定到基层106,这些金属作为电极。在这些电极的顶端,设置另一个绝缘层。该结构构成了单一膜或装置部分11。
[0049] 还需要明确的是,在MNT的每层之间的一系列类似的交互通道和它们各自的电极111或112以及支持基层106都可在基本上位于中心的布置中,该布置是由MNT和电极的一层的螺旋状旋转而形成的,设置在一个柔性基层上,如图9的截面图所示,该截面图饰穿过通道415的一部分的截面图。在这样的构造中,一个单独的宽的子部分11是在一螺旋中旋转的。由于这个截面视图是在电极平面112上,在该图中未显示出纳米管层105。该纳米管层105或者电极111/112的柔性不足以在螺旋中旋转,该旋转或弯曲能在基层106的剥开的子部分上进行,该剥开的子部分未覆盖电极和纳米管。这个构造的优点是:所有的电极都可连接在螺旋状模式内。在采用多层折叠电极的情况下,例如在图6中的121,可在折叠后再加入。
[0050] 图7显示了如上所述的膜(外壳)的变形,当在较低的圆形突出部的外壳(有效地是一个膜)上施加压力时,导致液体从装置400的一个圆形突出部流到另一个圆形突出部,以及导致液体的反向流动。当以灰度色标方式将扭曲的装置400绘制出来时,在右边的灰度色标是代表位移的量值。该立体轮廓是装置400的未失真形状或等压形状。在上面的圆形突出部的变形导致下面的圆形突出部的变形,以及中部的连接通道415的壁的轻微变形。还需要明确的是,当在上面的圆形突出部内的液体容量增加时,在底部圆形突出部的液体容量也会增加。在通道415的这样的变形会损害MNT阵列结构或者子部分11,中部连接通道的壁可以比所显示的更厚,或者以比圆形突出部401和402更硬的材料来增强。
[0051] 图8显示了由一系列重叠的短箭头来标示的速度流场方向,该图是在所述装置内的流动的速度的分布图。在右边的灰度色标条代表该速度的量值,最大速度时在通道415的中部测量到的(纳米管105位于该处),采用有限元(FiniteElement)方法计算得最大速度为1.4cm/s。
[0052] 图10显示了采用装置100作为发电电池或将该装置用于植入人体或其他生物体的第一个实施方式的结构和方法。脉搏的周期性压力导致至少一个圆形突出部的循环的压缩和膨胀,以迫使液体从通道415流过,因而产生电流并对电池120充电。该植入可以是临时的或者是永久的。优选地,至少一个圆形突出部,例如上面的圆形突出部401,是通过外围的罐头1020与外部压力相隔离。相反,下面的圆形突出部402受到血流的周期性压力,在导管或者心电极导道1000的端部,支持罐头1020。装置100具有电极导道1011和1012,它们连接到电极111和112,这些电极在通道415内的MNT阵列105的相对侧。
[0053] 图11显示了采用装置100作为一种植入的电池的另一种实施方式的结构和方法。导管或者导道的上部1000a包容罐头1020,它的下方是一个开口或者是对于圆形突出部
402的暴露部分1025,圆形突出部402连接到导管或者导道的下部1000b。然而,上部1000a和下部1000b都围绕腔或暴露部分而连接。需要明确的是,这个暴露的部分也可以是柔软的膜,膜内包含液体,液体环绕圆形突出部402;或者圆形突出部402的壁可形成所述导管/导道的柔软部分的一部分。
[0054] 将装置100放入导管或导道内的用途的描述是例证性的,因为需要明确的是,装置100并不需要与血液直接接触,如果血流的周期性压力能通过其他组织或者液体传递到该装置的位置的话。
[0055] 虽然本发明已经根据优选的实施方式进行了描述,但它并不是将本发明的保护范围的限制为特定的形式,相反,它试图覆盖所有的改变、变化和等同,都可落入本发明的精神和范围之内,正如所附的权利要求所定义的那样。
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