專利名稱：碳納米管電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于植入的微型發(fā)電設(shè)備，通過植入的醫(yī)療裝置來產(chǎn)生所要的電。
背景技術(shù)：
當諸如起搏器、ICD's及其他可植入的醫(yī)療裝置在日益復雜的環(huán)境中培育時，它們都需要一個電源。對于病人而言，在醫(yī)療裝置中植入一個電池是最方便的，以避免外接一個外部電源，該外部電源可能成為感染源、炎癥源等。然而，電池的使用壽命有限，用完需要更換，或者在該醫(yī)療裝置電力消耗上的放置電池設(shè)計的約束，因此在功能上導致它是比那些非侵入式裝置所能獲得的功能更少。 因此，人們需要高密度和高效率的發(fā)電電池，該電池是生物相容的，用于可植入的醫(yī)療裝置，無須更換或者補充電池，當電力用完時，由活的生物體發(fā)電，或者從活的生物體中獲得電力。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，第一個目的是提供多個金屬碳納米管(多壁的或單壁的)與相對的電極相接觸，在容納電解液的兩個柔性蓄水池之間以液體連通。 兩個圓形突出部的其中一個的至少一部分形成了啞鈴狀的裝置，以觸感連通血液，以致每次脈搏導致重復的收縮，內(nèi)部液體通過碳納米管或通道的泵出會產(chǎn)生一次充電。
本發(fā)明的上述的和其它的目標、效果、特征和優(yōu)點將從所附的實施方式的說明并結(jié)合所附的附圖中得以更清楚地闡明。
附圖簡要說明

圖1是與裝置100的納米管的一部分的電極和金屬納米管相關(guān)的液流的示意圖； 圖2是顯示用于現(xiàn)有技術(shù)的碳納米管組件的誘導電壓與偏壓的函數(shù)關(guān)系的圖表； 圖3是用于裝置100的充電電路的代表圖； 圖4是裝置100的液流電池400的一部分的部分剖開示意圖； 圖5是在圖4中所示的裝置100的液流電池部分的橫截面立視圖； 圖6是在圖5中在相對的液流室之間的狹窄殘留部分的碳納米管部分的剖開示意
圖； 圖7是在對應于如圖5所示的橫截面圖的2-D圖內(nèi)的實施設(shè)計的柔性部分的FEM模式替換的結(jié)果； 圖8是在對應于如圖5和圖7所示的橫截面圖的2-D圖內(nèi)的實施設(shè)計的柔性部分的流速場的FEM模式替換的結(jié)果； 圖9是所述裝置的另一個實施方式的中央部分的橫截面圖； 圖10是圖1-9的任意所述裝置被設(shè)置在導管或可植入的導道的端部的一個實施方式的橫截面圖； 圖11是圖1-9的任意所述裝置被設(shè)置在例如導管或可植入的導道的某一部分的一個實施方式的橫截面圖。
說明書詳述 參見圖l，通過11指示該圖內(nèi)有一個新的改良的碳納米管電池，這里類似的參考
數(shù)字是在不同的視圖中指示類似的部件，所述裝置在這里一般用標號100指示。 已知的導電性碳納米管是金屬碳納米管(麗T)，為多壁碳納米管(麗NT)或者單壁
碳納米管(SWNT)，與流動液體相接觸，提供獨特的微流系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供在液體和固體基層
之間的緊密原子接觸的大界面。這將會導致在納米管內(nèi)的自由電荷載體與載流動液體內(nèi)的
微粒的強耦合，尤其當該溶液的性質(zhì)是極性溶液或者離子溶液時。 由于導電的納米管的準一維的電荷載體夾帶作用，這個耦合效應預期會更為增 強。液流的這個效應誘導在MWNT內(nèi)產(chǎn)生電流，參見Kral P & Shapiro, 2001， Phys. Rev-Lett, 86， 131。近來，在SWNT束上的多種液體的流動通過實驗來進行研究，并發(fā)現(xiàn)在樣品中 沿著流動的方向產(chǎn)生電壓，參見S. Ghosh， A. K. Sood， S. Ramaswamy，和N. Kumar的教導。液 流誘導的在碳納米管內(nèi)產(chǎn)生的電壓和電流，參見Physical Review B 70， 205423， 2004，引 用在這里作為參考。 然而，非常出乎意料地，發(fā)現(xiàn)與流速相關(guān)的電壓是非線性的，并可能符合一個對數(shù) 形式，超過流速的變化的五個十位。 圖1是裝置100的納米管部分11的示意圖，根據(jù)Ghosh等人的教導，它也可用作 測量電流和電壓的實驗性設(shè)置。由弧放電方法制備的SWNT束105被放置在兩個金屬電極 lll和112之間，納米管105由支持作用的絕緣基層106保持在它們的位置。相同的絕緣體 106也顯示為被用作在納米管105的部分之上的覆蓋物，該部分納米管105由電極111和 112所覆蓋。這個構(gòu)造是優(yōu)選的，尤其用于在圖6中所示的堆疊部分11。沿著圖l中所示 的箭頭10的液體流動方向(UL)來測量電信號。 與誘導的電壓和電流相關(guān)的液流的實驗關(guān)系式是由Ghosh在此所教導的。 t/ = "0l。g
+ 1
=A) log
、、
乂
(1)
(2) 這里，v。是指參考流速，u是流速，I。是起始測量的電流，U。是起始測量的電壓。需 注意，1。和U。都是常量。 在實驗中，采用1M NaCl水溶液，這導致該液流誘導的電壓為 對于v。 = 5 X 10—4m/s，則U。
30mV，而及。=，=75 q ，此時l
h = 70um。 納米管膜的總體積為V。 = 7rnrn3。
液流誘導的功率由下式給出 <formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula>
該碳納米管膜的每單位容量所產(chǎn)生的功為W = P/V。。 例如，如果u = lcm/sec，則P = 0. llmW或者W = 16 ii W/mm3。因此，如果例如所 述裝置的可用容量是lcm 則可產(chǎn)生16mW的功率。能被用于對電池充電的最大功率是該值 的一半。 Ghosh等人也認為，與液流方向相關(guān)的液流誘導電流的方向與偏壓VB成函數(shù)關(guān)系 (如在Ghosh參考文獻的圖2中所示，在這里引用作為圖2)。該電勢使SWNT相對于浸入液 流室內(nèi)的金標電極偏壓，接近于在圖2的插圖中所示的樣品。對于0.01M KCl水溶液(傳 導率為1. 4mS/m)與對于固定流速0. 04cm/s的液流誘導的電壓VB的量值和信號的依賴關(guān) 系顯示在圖2中?？梢?，液流誘導的信號是正的，也就是，當VB為正時，I是與u逆平行的； 而信號是相反的，也就是，當VB為負時，I是與u平行的。 這樣，根據(jù)電流I平行(逆平行)于u，在納米管內(nèi)的電荷載體需要是多孔(電 極)。 當所述納米管正向偏壓時，陰離子Cl—、 OH—移向接近SWNT，定位于碳表面的孔穴
內(nèi)，并使這些電極能用于液流誘導的電流。類似地，當偏壓是負時，這些孔穴被解放出來。當
偏壓增加時，在液流誘導電流內(nèi)參與的電荷載體的數(shù)量也增加，如圖2所示。 在上述實驗中，電壓對于VB = 0. 5V增加了超過50倍。假設(shè)由納米管膜偏壓導致
的功率損耗顯著低于由該膜自身產(chǎn)生的功率，我們可算出從該碳納米管膜的單位容量所產(chǎn)
生的最大功率，如下
' , A、2 log — + 1
、"。" (4)
這里G是由于偏壓效應的增益系數(shù)，例如，u = lcm/sec與G = 50時，裝置的Vmax =20mW/mm3。 圖3是所描述的液流誘導的電池裝置100的電路示意圖。正如在上面的圖2中可 見，在圖1中所示的裝置IOO，具有相對的電極111和112，分別連接到二極管電橋110的相 對端，電池120依次連接到二極管電橋110的兩個剩下的端。這樣，無論在電極111和112 之間的電子流的方向如何，來自電橋110的電流將流向?qū)﹄姵?20充電。
圖4顯示了裝置100的液流電池400的一部分的模式圖，該裝置100隨意地放置， 在其他實施方式中所示，作為侵入式、可移植的電能收獲裝置。液流電池400提供了對于液 流的周期性流動的裝置，優(yōu)選地容納了離子，例如上面所述的KC1水溶液，在如圖1所示的 納米管部分和電極之上。該模式模擬了液體的流體動力學。該結(jié)構(gòu)是由以下組成彈性的、 密封的、多聚物外殼(該殼是生物相容性的)，諸如硅、尼龍等化合材料。
優(yōu)選地，液流電池400具有總體上啞鈴狀的形狀，顯示為每一端為基本上球形或 橢圓形的室或圓形突出物401和402，相對的室或圓形突出物分別由狹窄的頸部或通道415 連接，該頸部或通道415包含MNT's。如圖所示。該裝置100插入一導管內(nèi)，在這種方式下， 該裝置的其中一個圓形突出物暴露到血液中，而其他部分則不暴露(定位在導管內(nèi))。裝 置100的已連接的圓形突出部401和402的內(nèi)部分410充滿了可電離的液體，例如多種鹽 的水溶液。液流電池400也可以具有除了這里所示的啞鈴形以外的其他形狀。
在給出的實施例中，外殼的壁416在最遠離兩個圓形突出物之間的通道415的接 ^max = G2 !
2&
7近頂點的最薄的位置的厚度約為1.25mm。然而，需要明確的是，該壁的厚度可以根據(jù)所建造 的材料的相容性來改變。 施加在裝置100的液流電池400的圓形突出物或暴露部分之上的壓力，導致暴露 部分或圓形突出物收縮，推動在單壁碳納米管(位于所述裝置的中部一一以暗灰色標出) 內(nèi)的液體，使該裝置的未暴露部分膨脹。在單壁碳納米管上的液體的流動會產(chǎn)生對電池充 電所需的電流(關(guān)于該物理現(xiàn)象的解釋在這里做出更詳細的描述)。 圖5顯示了在圖4中所示的裝置100的橫截面視圖；在該裝置的中間的黑色部分 包含了單壁碳納米管，而在該裝置的每側(cè)的兩個"空的"孔包含了從該裝置的一個圓形突出 物流向另一個圓形突出物的液體。兩個電引線連接到兩個電極(這些電極與碳納米管接 觸)；需注意的是，這些電極并不干涉從裝置的一側(cè)流向另一側(cè)的液體的流動，反之亦然。
圖6A和圖6B顯示了在所述裝置內(nèi)的單壁碳納米管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個實施方式。 圖6A和圖6B是麗T膜的堆疊與相關(guān)電極111和112的直角截面，每個均為圖1所示的裝
置子部分，它們被標記為圖中的11、lr、ii"和ir"。通用電極iii的子部分11、lr、ii" 和ir"以平行方式連通總線電極i21。另一個普通總線將連接相對的電極i12。這種堆疊
的布置提供了子通道601以致液體能在MNT裝置100的液體蓄水池400的每個圓形突出物 401和02之間流動。優(yōu)選地，該納米管組裝在一個膜結(jié)構(gòu)(幾十個微米厚度)，并采用不同 金屬錨定到基層106，這些金屬作為電極。在這些電極的頂端，設(shè)置另一個絕緣層。該結(jié)構(gòu) 構(gòu)成了單一膜或裝置部分ll。 還需要明確的是，在麗T的每層之間的一系列類似的交互通道和它們各自的電極 111或112以及支持基層106都可在基本上位于中心的布置中，該布置是由MNT和電極的一 層的螺旋狀旋轉(zhuǎn)而形成的，設(shè)置在一個柔性基層上，如圖9的截面圖所示，該截面圖飾穿過 通道415的一部分的截面圖。在這樣的構(gòu)造中，一個單獨的寬的子部分11是在一螺旋中旋 轉(zhuǎn)的。由于這個截面視圖是在電極平面112上，在該圖中未顯示出納米管層105。該納米管 層105或者電極111/112的柔性不足以在螺旋中旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)或彎曲能在基層106的剝開 的子部分上進行，該剝開的子部分未覆蓋電極和納米管。這個構(gòu)造的優(yōu)點是所有的電極都 可連接在螺旋狀模式內(nèi)。在采用多層折疊電極的情況下，例如在圖6中的121，可在折疊后 再加入。 圖7顯示了如上所述的膜(外殼)的變形，當在較低的圓形突出部的外殼(有效 地是一個膜)上施加壓力時，導致液體從裝置400的一個圓形突出部流到另一個圓形突出 部，以及導致液體的反向流動。當以灰度色標方式將扭曲的裝置400繪制出來時，在右邊的 灰度色標是代表位移的量值。該立體輪廓是裝置400的未失真形狀或等壓形狀。在上面的 圓形突出部的變形導致下面的圓形突出部的變形，以及中部的連接通道415的壁的輕微變 形。還需要明確的是，當在上面的圓形突出部內(nèi)的液體容量增加時，在底部圓形突出部的液 體容量也會增加。在通道415的這樣的變形會損害MNT陣列結(jié)構(gòu)或者子部分ll，中部連接 通道的壁可以比所顯示的更厚，或者以比圓形突出部401和402更硬的材料來增強。
圖8顯示了由一系列重疊的短箭頭來標示的速度流場方向，該圖是在所述裝置內(nèi) 的流動的速度的分布圖。在右邊的灰度色標條代表該速度的量值，最大速度時在通道415 的中部測量到的(納米管105位于該處)，采用有限元(FiniteElement)方法計算得最大速 度為1. 4cm/s。
圖10顯示了采用裝置100作為發(fā)電電池或?qū)⒃撗b置用于植入人體或其他生物體 的第一個實施方式的結(jié)構(gòu)和方法。脈搏的周期性壓力導致至少一個圓形突出部的循環(huán)的壓 縮和膨脹，以迫使液體從通道415流過，因而產(chǎn)生電流并對電池120充電。該植入可以是臨 時的或者是永久的。優(yōu)選地，至少一個圓形突出部，例如上面的圓形突出部401，是通過外圍 的罐頭1020與外部壓力相隔離。相反，下面的圓形突出部402受到血流的周期性壓力，在 導管或者心電極導道1000的端部，支持罐頭1020。裝置100具有電極導道1011和1012， 它們連接到電極111和112，這些電極在通道415內(nèi)的麗T陣列105的相對側(cè)。
圖11顯示了采用裝置100作為一種植入的電池的另一種實施方式的結(jié)構(gòu)和方法。 導管或者導道的上部1000a包容罐頭1020，它的下方是一個開口或者是對于圓形突出部 402的暴露部分1025，圓形突出部402連接到導管或者導道的下部1000b。然而，上部1000a 和下部1000b都圍繞腔或暴露部分而連接。需要明確的是，這個暴露的部分也可以是柔軟 的膜，膜內(nèi)包含液體，液體環(huán)繞圓形突出部402 ;或者圓形突出部402的壁可形成所述導管/ 導道的柔軟部分的一部分。 將裝置IOO放入導管或?qū)У纼?nèi)的用途的描述是例證性的，因為需要明確的是，裝 置100并不需要與血液直接接觸，如果血流的周期性壓力能通過其他組織或者液體傳遞到 該裝置的位置的話。 雖然本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實施方式進行了描述，但它并不是將本發(fā)明的保護范 圍的限制為特定的形式，相反，它試圖覆蓋所有的改變、變化和等同，都可落入本發(fā)明的精 神和范圍之內(nèi)，正如所附的權(quán)利要求所定義的那樣。
權(quán)利要求
一種發(fā)電裝置，包括a)第一柔性的液體封閉的圓形突出部；b)第二柔性的液體封閉的圓形突出部；c)具有比每個所述第一和第二柔性的液體封閉的圓形突出部更低液體容量的狹窄通道，形成在第一和第二柔性的液體封閉的圓形突出部之間的傳遞通道；以及d)所述狹窄通道還包括至少一層金屬碳納米管MNT’s，選自單壁碳納米管SWNT’s或者多壁碳納米管MWNT’s，它的相對的兩端被設(shè)置為朝向在所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部與所述狹窄通道之間的接合處，并朝向所述第二柔性的液體封閉的圓形突出部與所述狹窄通道之間的接合處，它的相對的兩端與分離的電極電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于所述柔性的液體封閉的圓形突出部都充滿了可電離的化合物溶液。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于所述一個圓形突出部的至少一部分是受到周期壓力而變化的，該圓形突出部與另一個圓形突出部相分離，以致電解液是周期性地通過麗T陣列泵出，以產(chǎn)生電流或者在分離的電極之間產(chǎn)生電荷。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的發(fā)電裝置，還包括多個基層，用于支持在所述狹窄通道內(nèi)的MNT' s，多個堆疊的MNT' s設(shè)置在所述基層上，形成多個居間通道供所述可電離的液體在其中流動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，還包括至少一個基層，用于支持所述麗T' s，其中，在所述狹窄通道內(nèi)的MNT是MNT的螺旋纏繞陣列，被設(shè)置在所述基層上，具有居間通道供可電離的液體在所述螺旋纏繞陣列之間流動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部、第二柔性的液體封閉的圓形突出部與具有比每個圓形突出部更低液體容量的所述狹窄通道之間形成一個啞鈴形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電裝置，其特征在于所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部、第二柔性的液體封閉的圓形突出部都具有柔軟的聚合體膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電裝置，其特征在于所述較低液體容量的狹窄通道具有比所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部、第二柔性的液體封閉的圓形突出部的柔軟的聚合體膜更硬的壁。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)電裝置，其特征在于所述較低液體容量的狹窄通道具有比所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部、第二柔性的液體封閉的圓形突出部的柔軟的聚合體膜更厚的壁。
10. —種可植入的發(fā)電裝置，包括a) 第一柔性的液體封閉的圓形突出部；b) 第二柔性的液體封閉的圓形突出部；C)具有比每個圓形突出部更低液體容量的狹窄通道，形成在兩個圓形突出部之間的傳遞通道；d) 罐頭，將所述第一和第二柔性的液體封閉的圓形突出部的其中之一設(shè)置在該罐頭內(nèi)，所述罐頭使裝入其內(nèi)的所述圓形突出部的與周圍環(huán)境的壓力相隔離；e) 用于支持至少一個所述柔性圓形突出部、所述狹窄通道與所述罐頭的導管或者導道，而另一個不設(shè)置在所述罐頭內(nèi)的圓形突出部是至少間接地暴露給所述導管的外部環(huán)境；f) 其中所述柔性的液體封閉的圓形突出部都充滿了可電離的化合物溶液；g) 所述狹窄通道還包括至少一層金屬碳納米管MNT' s，選自單壁碳納米管SWNT' s或者多壁碳納米管麗NT's，它的相對的兩端被設(shè)置為朝向在所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部與所述狹窄通道之間的接合處，并朝向所述第二柔性的液體封閉的圓形突出部與所述狹窄通道之間的接合處，它的相對的兩端與分離的電極電連接；h) 在不設(shè)置在所述罐頭內(nèi)的所述圓形突出部上的周期壓力變化導致將所述可電離的溶液周期性地通過所述麗T的至少一層泵出，以產(chǎn)生電流或者在分離的電極之間產(chǎn)生電荷。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的可植入的發(fā)電裝置，其特征在于所述不設(shè)置在所述罐頭內(nèi)的另一個圓形突出部是直接暴露給所述導管的外部環(huán)境的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的可植入的發(fā)電裝置，其特征在于所述不設(shè)置在所述罐頭內(nèi)的圓形突出部是設(shè)置在所述導管或?qū)У赖囊欢恕?br> 13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的可植入的發(fā)電裝置，其特征在于所述不設(shè)置在所述罐頭內(nèi)的圓形突出部是設(shè)置在所述導管或?qū)У赖膬啥酥g。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的可植入的發(fā)電裝置，還包括至少一個基層，用于支持所述MNT' s，其中，在所述狹窄通道內(nèi)的MNT是MNT的螺旋纏繞陣列，被設(shè)置在所述基層上，具有居間通道供可電離的液體在所述螺旋纏繞陣列之間流動。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的可植入的發(fā)電裝置，還包括多個基層，用于支持在所述狹窄通道內(nèi)的MNT's，多個堆疊的MNT's設(shè)置在所述基層上，形成多個居間通道供所述可電離的液體在其中流動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的可植入的發(fā)電裝置，還包括a) 電池；b) 二極管電橋；c) 其中在所述MNT液流電池的第一和第二相對末端的分離的電極分別與所述二極管電橋的相對末端以信號連通，所述二極管電橋的剩下的兩個末端連接到所述電池，因而流過所述MNT液流電池的液體導致對所述電池的充電。
17. —種充電電路，包括a) 電池；b) 二極管電橋；c) MNT液流電池，具有第一和第二相對的末端；d) 其中在所述MNT液流電池的第一和第二相對末端分別與所述二極管電橋的相對末端以信號連通，所述二極管電橋的剩下的兩個末端連接到所述電池，因而流過所述MNT液流電池的液體導致對所述電池的充電。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的充電電路，其特征在于所述第一和第二相對末端的至少一個是外形上偏斜的。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的充電電路，其特征在于，所述MNT液流電池包括a)第一柔性的液體封閉的圓形突出部；b)第二柔性的液體封閉的圓形突出部；C)具有比每個圓形突出部更低液體容量的狹窄通道，形成在兩個圓形突出部之間的傳遞通道；d)所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部、第二柔性的液體封閉的圓形突出部與具有比每個圓形突出部更低液體容量的所述狹窄通道之間形成一個啞鈴形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的充電電路，其特征在于所述第一柔性的液體封閉的圓形突出部、第二柔性的液體封閉的圓形突出部都具有柔軟的聚合體膜。
全文摘要
一種將機械變形轉(zhuǎn)換為電流的裝置，這些機械變形是由于在所述裝置的一部分上產(chǎn)生的液體壓力所產(chǎn)生的。該裝置被整合到一個可植入的導管內(nèi)，并插入病人的心血管系統(tǒng)內(nèi)。該裝置的目的是對電池充電，該電池儲存了用于其它可植入裝置的多種用途的能量。
文檔編號H01M6/22GK101715610SQ200880019386
公開日2010年5月26日 申請日期2008年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月17日
發(fā)明者埃米爾·利希滕斯坦, 怡然·奧佛克, 諾埃爾·阿里科洛得 申請人:物理邏輯公司