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

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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

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reservebatterie aus Anode und Kathode als Elektroden und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Reservebatterie und weiterhin auf ein Betriebsverfahren für diese Reservebatterie.The Invention relates to an anode and cathode reserve battery as electrodes and a space for receiving an electrolyte. In addition, the invention relates to a method for manufacturing such a reserve battery and continue to operate for this Reserve battery.

Eine Reservebatterie ist eine Batterie, die typischerweise nur einmal nutzbar ist und die sich selbst durch Benetzung mit einem Elektrolyten aktiviert. Für eine Anwendung im medizinischen Bereich kann der Elektrolyt beispielsweise Körperflüssigkeit sein.A Reserve battery is a battery that is typically only once is usable and which itself by wetting with an electrolyte activated. For the electrolyte can be used in the medical field, for example Be body fluid.

Reservebatterien sind bereits bekannt. Sie sind analog zu bekannten Primärbatterien aus Anode, Elektrolytraum und Kathode aufgebaut. Anders als bei solchen Primärbatterien ist allerdings bei Reservebatterien der Raum zwischen den Elektroden nicht mit Elektrolyt gefüllt. Erst bei Aktivierung wird der Zwischenraum mit ionisch leitfähigem Elektrolyten gefüllt.reserve batteries are already known. They are analogous to known primary batteries made up of anode, electrolyte space and cathode. Unlike such primary batteries However, in the case of reserve batteries, the space between the electrodes is not filled with electrolyte. The gap is only filled with ionically conductive electrolytes when activated filled.

Reservebatterien finden unter anderem Anwendung in Signallampen, beispielsweise Rettungswesten oder dergleichen, oder beispielsweise auch als Torpedoantrieb. In beiden Fällen werden sie durch eindringendes Seewasser aktiviert. Besonderer Vorteil von Reservebatterien ist die nahezu unbegrenzte Lagerfähigkeit, da durch den fehlenden Elektrolyten eine Selbstentladung im üblichen Sinne nicht möglich ist.reserve batteries are used in signal lamps, for example, life jackets or the like, or for example as a torpedo drive. In both cases they are activated by penetrating sea water. A special advantage of reserve batteries is the almost unlimited shelf life, since the lack of electrolytes leads to self-discharge in the usual way Senses not possible is.

Die bisher bekannten Systeme von Reservebatterien sind aus massiven Elektroden aufgebaut. Dadurch sind sie nicht geeignet für einen flachen Aufbau und solche Anwendungen, für die ein miniaturisierter Aufbau notwendig ist.The previously known systems of reserve batteries are made of massive Electrodes built up. As a result, they are not suitable for you flat structure and such applications for which a miniaturized Construction is necessary.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Reservebatterie zu schaffen, die kompakt aufgebaut und insbesondere auch preiswert ist.task In contrast, the invention is a To create backup battery that is compact and in particular is also inexpensive.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Herstellungsverfahren für eine solche Reservebatterie ist im Patentanspruch 11 angegeben. Der Patentanspruch 17 enthält schließlich ein geeignetes Betriebsverfahren für eine solche Reservebatterie. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Reservebatterie, des zugehörigen Herstellungsverfahrens und des Betriebsverfahrens für die erfindungsgemäße Reservebatterie sind Gegenstand der Unteransprüche.The Task is according to the invention solved the features of claim 1. A manufacturing process for one such reserve battery is specified in claim 11. The claim 17 contains finally a suitable operating method for such a reserve battery. Developments of the reserve battery according to the invention, the associated manufacturing process and operating procedures for the reserve battery according to the invention are the subject of the subclaims.

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

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer SchnittdarstellungFurther Details and advantages of the invention emerge from the following Description of figures of exemplary embodiments based on the drawing in conjunction with the claims. It each show a schematic sectional view

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

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

3 eine Reservebatterie gemäß 2 in Schnittdarstellung und 3 a reserve battery according to 2 in sectional view and

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

Gleichwirkende Einheiten haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.Equivalent Units have the same reference numbers in the figures. The figures are partially described below together.

In 1 ist eine Struktur dargestellt, die eine Substratschicht 1 mit einer darauf befindlichen Kathode 10 und einer Anode 20 enthält. Kathode 10 und Anode 20 bilden jeweils mehrere Elektrodenfinger 11, 11', ... und 21, 21', ..., die zueinander parallel angeordnet sind. Die Elektrodenfinger 11, 11', ... und 21, 21', ... sind Teil von Interdigitalelektroden. Dies bedeutet, dass die Kathode 10 einerseits und die Anode 20 andererseits jeweils insgesamt kammartig ausgebildet ist, wobei die einzelnen Kathodenfinger 11, 11', ... und die einzelnen Anodenfinger 21, 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.

In 2 ist eine Struktur wie in 1 vorhanden, bei der von der Kathode 10 einerseits und der Anode 20 andererseits mit jeweils nur einem einzigen Elektrodenfinger die Interdigitalelektrode gebildet wird. Der Elektrodenfinger 11 bzw. 21 bildet jeweils die komplette Elektrode 10 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 ,

In einer Abwandlung zu 1 und/oder 2 können die beiden oder mehrere Elektrodenfinger spiralförmig, mäanderförmig oder in 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.

Insgesamt wird in 1 und/oder 2 von den Strukturen aus Kathode 10 und Anode 20 auf dem Substrat 1 eine sogenannte „in-plane"-Anordnung gebildet. Dabei kommt es darauf an, den Abstand der nebeneinander angeordneten Elektroden bzw. Elektrodenfinger möglichst gering zu wählen, wobei Breite b, Abstand a und Dicke der Elektrodenschicht jeweils in der gleichen Größenordnung liegen. Auf die Dimensionierung und die geeigneten Herstellungsverfahren wird 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.

Aus der Schnittdarstellung der 3 ist das Substrat 1 mit den darauf befindlichen Elektrodenfingern 11, 11', ... und 21, 21', ... ersichtlich. Es ist eine Abdeckung, z.B. eine Folie 30, vorhanden, die sich im Abstand oberhalb der Elektrodenfinger befindet, so dass ein Elektrolytraum 40 gebildet wird. Der Elektrolytraum 40 kann gegebenenfalls einen porösen Körper zur Aufnahme 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.

In 4 ist eine Anordnung gemäß 1 gezeigt, bei der das Substrat 1 mit Kathode 10 und Anode 20 auf einem diskreten Element, z.B. einen Sensorstreifen, aufgebracht ist. Die Anordnung ist in einen Elektrolyten 30 eintauchbar. Dafür ist beispielsweise ein Behälter 50 zur Aufnahme 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.

Bei den Anordnungen gemäß den 1 bis 4 sind die Elektroden 10 und 20 bzw. Elektrodenfinger 11, 11', ... und 21, 21', ... als dünne Schichten, beispielsweise mit einer Dicke von 50 μm, ausgebildet. Im Allgemeinen sollte die Dicke der Elektroden zwischen 10 und 100 μm betragen. Als weitestgehender Bereich kommen Dicken von 5 bis 500 μm in Frage. Die Breite b und der Abstand a der Elektrodenfinger ist jeweils im 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.

Die Herstellung von dünnen Elektrodenschichten erfolgt vorteilhafterweise nach einem bekannten Siebdruckverfahren. Möglich ist es auch, die Elektroden mit einem Sprühverfahren auf ein Substrat aufzubringen. Gegebenenfalls kann dabei auf die Zwischenschicht des Kollektors verzichtet werden, sofern an die Elektroden direkt die Stromanschlüsse angebracht werden.The Manufacture of thin Electrode layers are advantageously made according to a known one Screen printing process. Possible it is also sprayed the electrodes onto a substrate applied. If necessary, it can be on the intermediate layer of the collector are dispensed with, provided that they are directly connected to the electrodes the power connections attached become.

Derart dünne Schichten können auch beispielsweise mit einem angepassten Ink-Jet-Drucker erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit für die Herstellung der Elektroden sind Druckverfahren, insbesondere der sogenannte Tampondruck oder dergleichen, weiterhin Tauchverfahren oder auch das sogenannte Schlickergießen.so thin layers can also generated for example with a customized ink jet printer become. Another possibility for the Production of the electrodes are printing processes, in particular the so-called pad printing or the like, further immersion processes or the so-called slip casting.

Nach dem Prinzip der 1 bis 4 können Reservebatterien aufgebaut werden, die hinsichtlich der Spannung bzw. des zu liefernden Stromes den vorgegebenen Bedingungen genügen. Dabei kann die Anzahl n der Zellen vorgegeben werden, wobei im allgemeinen gilt: n ≥ 2. Wesentlich ist dabei, dass der Elektrolytraum 4 so gestaltet werden kann, dass er eine Kapillarwirkung zum Einsaugen des Elektrolyten aufweist. Dies kann beispielsweise durch die Dicke des Elektrolytraumes an sich oder durch einen porösen Körper in direktem Kontakt zu den Elektroden realisiert werden. Ein solcher Körper mit 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.

Bei den beschriebenen Reservebatterien kann einer der beiden Elektroden, dem Elektrolytraum oder den darin enthaltenen porösen Körper, der den Separator darstellt, ein lösliches Salz zugesetzt werden. Dies kann entweder ein wasserlösliches, elektrisch leitendes Salz sein zur Befüllung mit Wasser oder wässrigen Lösungen oder aber auch ein Leitsalz für organische Flüssigkeiten.at one of the two electrodes, the electrolyte space or the porous body contained therein, the represents the separator, a soluble one Salt can be added. This can either be a water-soluble, be electrically conductive salt for filling with water or aqueous solutions or also a conductive salt for organic liquids.

Zur Aktivierung anhand der 1 bis 4 beschriebenen Reservebatterien wird die Anordnung mit einem Elektrolytreservoir verbunden. Durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoir wird der Elektrolyt in den Elektrolytraum gedrückt und 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.

Als Elektrolyt sind alle Flüssigkeiten geeignet, die zumindest eine geringfügige ionische Leitfähigkeit aufweisen. Bei einer medizinischen Anwendung kann dies eine Körperflüssigkeit, wie Blut, Urin oder Speichel, sein.As Electrolytes are all liquids suitable, the at least a slight ionic conductivity exhibit. In a medical application, this can be a body fluid, such as blood, urine or saliva.

Der Elektrolyt kann auch direkt die zu analysierende Flüssigkeit sein. Dies ist vorteilhaft für den Einsatz von sogenannten Disposable-Anwendungen in der Medizintechnik. Für solche Disposable-Anwendungen ist ein ultradünner Aufbau mit geringem Materialeinsatz und die einfache Fertigung vorteilhaft.The Electrolyte can also directly analyze the liquid to be analyzed his. This is beneficial for the use of so-called disposable applications in medical technology. For such Disposable applications is an ultra-thin construction with low material consumption and the simple manufacturing advantageous.

Bei Kontakt mit einer Flüssigkeit aktiviert sich die Batterie und die damit verbundene elektronische Schaltung selbstständig. Die Aktivierung durch die Analyseflüssigkeit wirkt also wie ein intelligenter Schalter.at Contact with a liquid the battery and the associated electronic circuit are activated independently. The activation by the analysis liquid therefore acts as if intelligent switch.

Claims (18)

Reservebatterie mit einer Anode und einer Kathode und einem Freiraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, gekennzeichnet durch einen Aufbau der Elektroden (10, 20) in Dünnschicht-Planartechnik auf 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 10 und 100 μm, beträgt.Reserve battery according to claim 1, characterized in that the thickness of the electrodes is 5 to 500 μm, preferably between 10 and 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', ...) gebildet sind.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 der jeweiligen Elektrodendicke gewählt ist.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 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenfinger (11, 11', ... 21, 21', ...) in gewundener Anordnung, beispielsweise spiralförmig, mäanderförmig oder dergleichen, ausgebildet sind.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, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytraum (30) eine Kapillarwirkung zum 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 Kapillarwirkung vorhanden 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10, 20) auf einem Substrat (1) aufgebracht sind, wobei das Substrat (1) zur Benetzung der Elektrodenoberflächen in den Elektrolyten tauchbar ist.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 in einen 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 Reservebatterie nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Siebdrucken auf ein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup battery according to claim 1 or the claims 2 to 10, characterized in that the electrodes by screen printing be applied to a substrate. Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis ..., dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Sprühen auf ein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup battery according to claim 1 or one of claims 2 to ..., characterized in that that the electrodes by spraying be applied to a substrate. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sprühverfahren ein sogenannter Ink-Jet-Drucker verwendet wird.A method according to claim 12, characterized in that for the spraying process a so-called ink jet printer is used. Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Drucken, vorzugsweise einem Tampondruck, auf ein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup battery according to claim 1 or one of claims 2 to 10, characterized in that that the electrodes by printing, preferably pad printing a substrate can be applied. Verfahren zur Herstellung einer Reservebatterie nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch Tauchen oder Schlickergießen auf ein Substrat aufgebracht werden.Method of making a backup battery according to claim 1 or one of claims 2 to 10, characterized in that that the electrodes by dipping or slip casting a 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 porösen Körper zwischen beiden Elektroden ein lösliches Leitsalz zugesetzt wird.Method according to one of claims 10 to 15, characterized in that that in the manufacture of one or both electrodes or possibly the porous body a soluble between the two electrodes Leitsalz is added. Betriebsverfahren für eine Reservebatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 109, die nach einem der Ansprüche 10 bis 14 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Reservebatterie mit einem angeschlossenen Elektrolytreservoir erfolgt.Operating procedures for a backup battery according to one of the claims 1 to 109, which is produced according to one of claims 10 to 14, characterized in that the activation of the reserve battery with a connected electrolyte reservoir. Betriebsverfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt durch mechanischen Druck auf das Elektrolytreservoir in den Elektrolytraum der Reservebatterie gedrückt wird.Operating method according to claim 16, characterized in that the electrolyte by mechanical pressure on the electrolyte reservoir is pressed into the electrolyte compartment of the reserve battery.
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