DE10313005A1 - Reserve battery used as disposable energy supply e.g. for medical applications, emergency signaling lamp or torpedo drive, has thin-film cathode and anode electrodes applied to substrate - Google Patents

Abstract

The reserve battery has an anode (20) and a cathode (10) separated by a free space for reception of an electrolyte, e.g. a body fluid, both electrodes provided by thin-film layers applied to a substrate (1). The electrodes may be provided with interdigitated electrode fingers (11,11',..; 21,21',..) arranged parallel to one another, or alternatively the anode and cathode are provided by 2 parallel electrode fingers. Also included are Independent claims for the following: (a) a manufacturing method for a reserve battery; and (b) an operating method for a reserve battery.

Description

Translated fromGerman

DieErfindung bezieht sich auf eine Reservebatterie aus Anode und Kathodeals Elektroden und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten.Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstelleneiner solchen Reservebatterie und weiterhin auf ein Betriebsverfahrenfür dieseReservebatterie.TheInvention relates to an anode and cathode reserve batteryas electrodes and a space for receiving an electrolyte.In addition, the invention relates to a method for manufacturingsuch a reserve battery and continue to operatefor thisReserve battery.

EineReservebatterie ist eine Batterie, die typischerweise nur einmalnutzbar ist und die sich selbst durch Benetzung mit einem Elektrolytenaktiviert. Füreine Anwendung im medizinischen Bereich kann der Elektrolyt beispielsweiseKörperflüssigkeit sein.AReserve battery is a battery that is typically only onceis usable and which itself by wetting with an electrolyteactivated. Forthe electrolyte can be used in the medical field, for exampleBe body fluid.

Reservebatteriensind bereits bekannt. Sie sind analog zu bekannten Primärbatterienaus Anode, Elektrolytraum und Kathode aufgebaut. Anders als beisolchen Primärbatterienist allerdings bei Reservebatterien der Raum zwischen den Elektroden nichtmit Elektrolyt gefüllt.Erst bei Aktivierung wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolytengefüllt.reserve batteriesare already known. They are analogous to known primary batteriesmade up of anode, electrolyte space and cathode. Unlikesuch primary batteriesHowever, in the case of reserve batteries, the space between the electrodes is notfilled with electrolyte.The gap is only filled with ionically conductive electrolytes when activatedfilled.

Reservebatterienfinden unter anderem Anwendung in Signallampen, beispielsweise Rettungswestenoder dergleichen, oder beispielsweise auch als Torpedoantrieb. Inbeiden Fällenwerden sie durch eindringendes Seewasser aktiviert. Besonderer Vorteilvon Reservebatterien ist die nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit,da durch den fehlenden Elektrolyten eine Selbstentladung im üblichenSinne nicht möglichist.reserve batteriesare used in signal lamps, for example, life jacketsor the like, or for example as a torpedo drive. Inboth casesthey are activated by penetrating sea water. A special advantageof reserve batteries is the almost unlimited shelf life,since the lack of electrolytes leads to self-discharge in the usual waySenses not possibleis.

Diebisher bekannten Systeme von Reservebatterien sind aus massivenElektroden aufgebaut. Dadurch sind sie nicht geeignet für einenflachen Aufbau und solche Anwendungen, für die ein miniaturisierterAufbau notwendig ist.Thepreviously known systems of reserve batteries are made of massiveElectrodes built up. As a result, they are not suitable for youflat structure and such applications for which a miniaturizedConstruction is necessary.

Aufgabeder Erfindung ist es demgegenüber, eineReservebatterie zu schaffen, die kompakt aufgebaut und insbesondereauch preiswert ist.taskIn contrast, the invention is aTo create backup battery that is compact and in particularis also inexpensive.

DieAufgabe ist erfindungsgemäß durchdie Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Herstellungsverfahrenfür einesolche Reservebatterie ist im Patentanspruch 11 angegeben. Der Patentanspruch17 enthältschließlichein geeignetes Betriebsverfahren für eine solche Reservebatterie.Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Reservebatterie, des zugehörigen Herstellungsverfahrensund des Betriebsverfahrens fürdie erfindungsgemäße Reservebatteriesind Gegenstand der Unteransprüche.TheTask is according to the inventionsolved the features of claim 1. A manufacturing processfor onesuch reserve battery is specified in claim 11. The claim17 containsfinallya suitable operating method for such a reserve battery.Developments of the reserve battery according to the invention, the associated manufacturing processand operating procedures forthe reserve battery according to the inventionare the subject of the subclaims.

Dieerfindungsgemäße Reservebatterieist in Dünnschicht-Planartechnik aufgebaut.Vorteilhafterweise ist eine Interdigitalstruktur realisiert. Diedamit gebildete Reservebatterie kann aufgrund ihres besonders einfachenAufbaus auch sehr einfach hergestellt werden. Dadurch ist der Aufbauso preiswert, dass er insbesondere auch für sog. Disposable-Anwendungen,z.B. in der Medizindiagnostik, in Frage kommt.Thereserve battery according to the inventionis built using thin-film planar technology.An interdigital structure is advantageously implemented. Thereserve battery formed with it can because of its particularly simpleConstruction can also be made very easily. This is the structureso inexpensive that it can also be used for so-called disposable applications,e.g. in medical diagnostics.

WeitereEinzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgendenFigurenbeschreibung von Ausführungsbeispielenanhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Eszeigen jeweils in schematischer SchnittdarstellungFurtherDetails and advantages of the invention emerge from the followingDescription of figures of exemplary embodimentsbased on the drawing in conjunction with the claims. Iteach show a schematic sectional view

1 das Prinzip einer Dünnschicht-Reservebatterie, 1 the principle of a thin-film reserve battery,

2 eine Reservebatterie inInterdigitalstruktur, 2 a backup battery in interdigital structure,

3 eine Reservebatterie gemäß2 in Schnittdarstellungund 3 a reserve battery according to 2 in sectional view and

4 die Vorgehensweise zurAktivierung einer Reservebatterie. 4 the procedure for activating a backup battery.

GleichwirkendeEinheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figurenwerden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.EquivalentUnits have the same reference numbers in the figures. The figuresare partially described below together.

In1 ist eine Struktur dargestellt,die eine Substratschicht1 mit einer darauf befindlichenKathode10 und einer Anode20 enthält. Kathode10 und Anode20 bildenjeweils mehrere Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ..., die zueinanderparallel angeordnet sind. Die Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ... sind Teilvon Interdigitalelektroden. Dies bedeutet, dass die Kathode10 einerseitsund die Anode20 andererseits jeweils insgesamt kammartig ausgebildetist, wobei die einzelnen Kathodenfinger11,11', ... und dieeinzelnen Anodenfinger21,21', ... paarweise ineinander greifen.In 1 a structure is shown that has a substrate layer 1 with a cathode on it 10 and an anode 20 contains. cathode 10 and anode 20 each form several electrode fingers 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ..., which are arranged parallel to each other. The electrode fingers 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ... are part of interdigital electrodes. This means that the cathode 10 one hand and the anode 20 on the other hand, each has a comb-like design, the individual cathode fingers 11 . 11 ' , ... and the individual anode fingers 21 . 21 ' , ... interlock in pairs.

In2 ist eine Struktur wiein1 vorhanden, beider von der Kathode10 einerseits und der Anode20 andererseitsmit jeweils nur einem einzigen Elektrodenfinger die Interdigitalelektrodegebildet wird. Der Elektrodenfinger11 bzw.21 bildetjeweils die komplette Elektrode10 bzw.20.In 2 is a structure like in 1 present in the case of the cathode 10 on the one hand and the anode 20 on the other hand, the interdigital electrode is formed with only a single electrode finger. The electrode finger 11 respectively. 21 forms the complete electrode 10 respectively. 20 ,

Ineiner Abwandlung zu1 und/oder2 können die beiden oder mehrereElektrodenfinger spiralförmig,mäanderförmig oderin anderer gewundener Anordnung ausgebildet sein.In a variation too 1 and or 2 For example, the two or more electrode fingers may be spiral, meandering, or in another tortuous arrangement.

Insgesamtwird in1 und/oder2 von den Strukturen ausKathode10 und Anode20 auf dem Substrat1 einesogenannte „in-plane"-Anordnung gebildet.Dabei kommt es darauf an, den Abstand der nebeneinander angeordnetenElektroden bzw. Elektrodenfinger möglichst gering zu wählen, wobeiBreite b, Abstand a und Dicke der Elektrodenschicht jeweils in dergleichen Größenordnungliegen. Auf die Dimensionierung und die geeigneten Herstellungsverfahrenwird weiter unten eingegangen.Overall, in 1 and or 2 from the cathode structures 10 and anode 20 on the substrate 1 a so-called "in-plane" arrangement is formed. It is important to choose the distance between the electrodes or electrode fingers arranged next to one another as small as possible, the width b, distance a and thickness of the electrode layer each being of the same order of magnitude Sizing and the appropriate manufacturing processes are discussed below.

Ausder Schnittdarstellung der3 istdas Substrat1 mit den darauf befindlichen Elektrodenfingern11,11', ... und21,21', ... ersichtlich.Es ist eine Abdeckung, z.B. eine Folie30, vorhanden, diesich im Abstand oberhalb der Elektrodenfinger befindet, so dassein Elektrolytraum40 gebildet wird. Der Elektrolytraum40 kanngegebenenfalls einen porösen Körper zurAufnahme eines Elektrolyten aufweisen.From the sectional view of the 3 is the substrate 1 with the electrode fingers on it 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ... evident. It is a cover, for example a foil 30 , which is located at a distance above the electrode fingers, so that an electrolyte space 40 is formed. The electrolyte room 40 can optionally have a porous body for receiving an electrolyte.

In4 ist eine Anordnung gemäß1 gezeigt, bei der das Substrat1 mitKathode10 und Anode20 auf einem diskreten Element,z.B. einen Sensorstreifen, aufgebracht ist. Die Anordnung ist in einenElektrolyten30 eintauchbar. Dafür ist beispielsweise ein Behälter50 zurAufnahme des Elektrolyten vorhanden.In 4 is an arrangement according to 1 shown where the substrate 1 with cathode 10 and anode 20 is applied to a discrete element, for example a sensor strip. The arrangement is in an electrolyte 30 submersible. There is a container for this, for example 50 available to hold the electrolyte.

Beiden Anordnungen gemäß den1 bis4 sind die Elektroden10 und20 bzw.Elektrodenfinger11,11', ... und21,21', ... als dünne Schichten, beispielsweisemit einer Dicke von 50 μm,ausgebildet. Im Allgemeinen sollte die Dicke der Elektroden zwischen10 und 100 μmbetragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage.Die Breite b und der Abstand a der Elektrodenfinger ist jeweilsim Einzelnen darauf abgestimmt.With the arrangements according to 1 to 4 are the electrodes 10 and 20 or electrode fingers 11 . 11 ' , ... and 21 . 21 ' , ... are formed as thin layers, for example with a thickness of 50 μm. In general, the thickness of the electrodes should be between 10 and 100 μm. Thicknesses from 5 to 500 μm are considered as the most extensive range. The width b and the distance a of the electrode fingers are each individually matched to this.

DieHerstellung von dünnenElektrodenschichten erfolgt vorteilhafterweise nach einem bekanntenSiebdruckverfahren. Möglichist es auch, die Elektroden mit einem Sprühverfahren auf ein Substrataufzubringen. Gegebenenfalls kann dabei auf die Zwischenschichtdes Kollektors verzichtet werden, sofern an die Elektroden direktdie Stromanschlüsse angebrachtwerden.TheManufacture of thinElectrode layers are advantageously made according to a known oneScreen printing process. Possibleit is also sprayed the electrodes onto a substrateapplied. If necessary, it can be on the intermediate layerof the collector are dispensed with, provided that they are directly connected to the electrodesthe power connections attachedbecome.

Derartdünne Schichtenkönnenauch beispielsweise mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker erzeugtwerden. Eine andere Möglichkeitfür dieHerstellung der Elektroden sind Druckverfahren, insbesondere dersogenannte Tampondruck oder dergleichen, weiterhin Tauchverfahrenoder auch das sogenannte Schlickergießen.sothin layerscanalso generated for example with a customized ink jet printerbecome. Another possibilityfor theProduction of the electrodes are printing processes, in particular theso-called pad printing or the like, further immersion processesor the so-called slip casting.

Nachdem Prinzip der1 bis4 können Reservebatterien aufgebautwerden, die hinsichtlich der Spannung bzw. des zu liefernden Stromesden vorgegebenen Bedingungen genügen.Dabei kann die Anzahl n der Zellen vorgegeben werden, wobei im allgemeinengilt: n ≥ 2.Wesentlich ist dabei, dass der Elektrolytraum4 so gestaltetwerden kann, dass er eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolytenaufweist. Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Elektrolytraumesan sich oder durch einen porösenKörperin direktem Kontakt zu den Elektroden realisiert werden. Ein solcherKörpermit Kapillarwirkung ist beispielsweise ein Vlies.According to the principle of 1 to 4 reserve batteries can be built that meet the specified conditions with regard to the voltage or the current to be supplied. The number n of cells can be specified, the general rule being: n ≥ 2. It is essential that the electrolyte space 4 can be designed so that it has a capillary action for sucking in the electrolyte. This can be achieved, for example, by the thickness of the electrolyte space itself or by a porous body in direct contact with the electrodes. Such a body with capillary action is, for example, a fleece.

Beiden beschriebenen Reservebatterien kann einer der beiden Elektroden,dem Elektrolytraum oder den darin enthaltenen porösen Körper, derden Separator darstellt, ein löslichesSalz zugesetzt werden. Dies kann entweder ein wasserlösliches,elektrisch leitendes Salz sein zur Befüllung mit Wasser oder wässrigenLösungenoder aber auch ein Leitsalz fürorganische Flüssigkeiten.atone of the two electrodes,the electrolyte space or the porous body contained therein, therepresents the separator, a soluble oneSalt can be added. This can either be a water-soluble,be electrically conductive salt for filling with water or aqueoussolutionsor also a conductive salt fororganic liquids.

ZurAktivierung anhand der1 bis4 beschriebenen Reservebatterienwird die Anordnung mit einem Elektrolytreservoir verbunden. Durchmechanischen Druck auf das Elektrolytreservoir wird der Elektrolytin den Elektrolytraum gedrücktund damit die Batterie betriebsbereit gemacht.To activate using the 1 to 4 described reserve batteries, the arrangement is connected to an electrolyte reservoir. Mechanical pressure on the electrolyte reservoir pushes the electrolyte into the electrolyte compartment, thus making the battery ready for operation.

AlsElektrolyt sind alle Flüssigkeitengeeignet, die zumindest eine geringfügige ionische Leitfähigkeitaufweisen. Bei einer medizinischen Anwendung kann dies eine Körperflüssigkeit,wie Blut, Urin oder Speichel, sein.AsElectrolytes are all liquidssuitable, the at least a slight ionic conductivityexhibit. In a medical application, this can be a body fluid,such as blood, urine or saliva.

DerElektrolyt kann auch direkt die zu analysierende Flüssigkeitsein. Dies ist vorteilhaft fürden Einsatz von sogenannten Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik.Für solcheDisposable-Anwendungen ist ein ultradünner Aufbau mit geringem Materialeinsatzund die einfache Fertigung vorteilhaft.TheElectrolyte can also directly analyze the liquid to be analyzedhis. This is beneficial forthe use of so-called disposable applications in medical technology.For suchDisposable applications is an ultra-thin construction with low material consumptionand the simple manufacturing advantageous.

BeiKontakt mit einer Flüssigkeitaktiviert sich die Batterie und die damit verbundene elektronische Schaltungselbstständig.Die Aktivierung durch die Analyseflüssigkeit wirkt also wie einintelligenter Schalter.atContact with a liquidthe battery and the associated electronic circuit are activatedindependently.The activation by the analysis liquid therefore acts as ifintelligent switch.

Claims (18)

Translated fromGerman

Reservebatterie mit einer Anode und einer Kathodeund einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, gekennzeichnetdurch einen Aufbau der Elektroden (10,20) inDünnschicht-Planartechnikauf einem Substrat (1).Reserve battery with an anode and a cathode and a free space for receiving an electrolyte, characterized by a structure of the electrodes ( 10 . 20 ) in thin-film planar technology on a substrate ( 1 ).Reservebatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Dicke der Elektroden 5 bis 500 μm, vorzugsweise zwischen 10und 100 μm,beträgt.Reserve battery according to claim 1, characterized inthat the thickness of the electrodes is 5 to 500 μm, preferably between 10and 100 μm,is.Reservebatterie nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,gekennzeichnet durch eine interdigitale Anordnung von Anode (20)und Kathode (10) mit einzelnen Elektrodenfingern (11,11', ...;21,21', ...).Reserve battery according to claim 1 or claim 2, characterized by an interdigital arrangement of anode ( 20 ) and cathode ( 10 ) with individual electrode fingers ( 11 . 11 ' , ...; 21 . 21 ' , ...).Reservebatterie nach Anspruch 2 oder Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, dass Anode (20) und Kathode (30)durch jeweils zwei nebeneinander liegende Elektrodenfinger (11,11', ...21,21', ...) gebildetsind.Reserve battery according to claim 2 or claim 3, characterized in that anode ( 20 ) and cathode ( 30 ) by two adjacent electrode fingers ( 11 . 11 ' , ... 21 . 21 ' , ...) are formed.Reservebatterie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,dass der Abstand zweier benachbarter Elektrodenfinger (11,11', ...21,21', ...) entsprechend derjeweiligen Elektrodendicke gewähltist.Reserve battery according to claim 4, characterized in that the distance between two adjacent electrode fingers ( 11 . 11 ' , ... 21 . 21 ' , ...) is selected according to the respective electrode thickness.Reservebatterie nach einem der Ansprüche 3 bis5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfinger (11,11', ...21,21', ...) in gewundenerAnordnung, beispielsweise spiralförmig, mäanderförmig oder dergleichen, ausgebildetsind.Reserve battery according to one of claims 3 to 5, characterized in that the electrode fingers ( 11 . 11 ' , ... 21 . 21 ' , ...) in a spiral arrangement, for example spiral, meandering or the like.Reservebatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der Elektrolytraum (30) eine Kapillarwirkungzum Einsaugen eines Elektrolyten (3') hat.Reserve battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte compartment ( 30 ) a capillary action for sucking in an electrolyte ( 3 ' ) Has.Reservebatterie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass zur Ausbildung der Kapillarwirkung der Elektrolytraum (30)eine geringe Dicke mit Abdeckung aufweist und/oder ein poröser Körper mit Kapillarwirkungvorhanden ist.Reserve battery according to claim 7, characterized in that to form the capillary action the electrolyte space ( 30 ) has a small thickness with cover and / or a porous body with capillary action is present.Reservebatterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Elektroden (10,20) aufeinem Substrat (1) aufgebracht sind, wobei das Substrat(1) zur Benetzung der Elektrodenoberflächen in den Elektrolyten tauchbarist.Reserve battery according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 10 . 20 ) on a substrate ( 1 ) are applied, the substrate ( 1 ) for wetting the electrode surfaces in the electrolyte.Reservebatterie nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass das Substrat (1) mit den Elektroden (10,20)einen Streifen bildet, der zum Benetzen der Elektrodenoberflächen ineinen Behälter(50) mit Elektrolyt (51) eintauchbar ist.Reserve battery according to claim 9, characterized in that the substrate ( 1 ) with the electrodes ( 10 . 20 ) forms a strip that is used to wet the electrode surfaces in a container ( 50 ) with electrolyte ( 51 ) is submersible.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach Anspruch 1 oder den Ansprüchen2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Siebdruckenauf ein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup batteryaccording to claim 1 or the claims2 to 10, characterized in that the electrodes by screen printingbe applied to a substrate.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis ..., dadurch gekennzeichnet,dass die Elektroden durch Sprühenauf ein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup batteryaccording to claim 1 or one of claims 2 to ..., characterized in thatthat the electrodes by sprayingbe applied to a substrate.Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass fürdas Sprühverfahrenein sogenannter Ink-Jet-Drucker verwendet wird.A method according to claim 12, characterized inthat forthe spraying processa so-called ink jet printer is used.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Elektroden durch Drucken, vorzugsweise einem Tampondruck, aufein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup batteryaccording to claim 1 or one of claims 2 to 10, characterized in thatthat the electrodes by printing, preferably pad printinga substrate can be applied.Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterienach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Elektroden durch Tauchen oder Schlickergießen aufein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup batteryaccording to claim 1 or one of claims 2 to 10, characterized in thatthat the electrodes by dipping or slip castinga substrate can be applied.Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass bei der Herstellung einer oder beiden Elektroden oder ggf.dem porösenKörperzwischen beiden Elektroden ein löslichesLeitsalz zugesetzt wird.Method according to one of claims 10 to 15, characterized in thatthat in the manufacture of one or both electrodes or possiblythe porousbodya soluble between the two electrodesLeitsalz is added.Betriebsverfahren für eine Reservebatterie nacheinem der Ansprüche1 bis 109, die nach einem der Ansprüche 10 bis 14 hergestellt ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Reservebatteriemit einem angeschlossenen Elektrolytreservoir erfolgt.Operating procedures for a backup battery according toone of the claims1 to 109, which is produced according to one of claims 10 to 14,characterized in that the activation of the reserve batterywith a connected electrolyte reservoir.Betriebsverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,dass der Elektrolyt durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoirin den Elektrolytraum der Reservebatterie gedrückt wird.Operating method according to claim 16, characterized inthat the electrolyte by mechanical pressure on the electrolyte reservoiris pressed into the electrolyte compartment of the reserve battery.