ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ELECTROCHEMICAL CONVERTER

Область применения изобретения
Изобретение имеет отношение к созданию систем, устройств и связанных с ними способов, в которых используют электрохимическое приведение в действие.
Предпосылки к созданию изобретения
Приведением в действие (возбуждением) обычно называют механизм, при помощи которого может быть установлен или перемещен объект или участок объекта, за счет преобразования энергии (например, электрической энергии, химической энергии и т.п.) в механическую энергию. Преобразователи могут быть подразделены на категории в соответствии с тем, как происходит преобразование энергии. Например, электростатические преобразователи преобразуют электростатические силы в механические силы.
Пьезоэлектрическое возбуждение обеспечивает широкую полосу и величину возбуждения, но создает малое механическое напряжение (обычно намного меньше 1%) и требует высоких электрических напряжений возбуждения. Сплавы с эффектом запоминания формы (SMAs), магнитострикционные материалы и недавно открытые ферромагнитные сплавы с эффектом запоминания формы (FSMAs) позволяют получать более высокие механические напряжения, но обеспечивают медленное срабатывание, что ограничивает возможность их применения. Механизмы возбуждения, которые основаны на вызванном приложением поля движении домена (пьезоэлектрические, FSMAs), также имеют низкое блокированное механическое напряжение. Указанные выше способы возбуждения основаны на использовании активных материалов с высокой плотностью (оксиды на базе свинца, металлические сплавы), которые отрицательно воздействуют на весовые характеристики. Таким образом, существует необходимость в создании технологии, которая позволяет обеспечивать высокую плотность энергии возбуждения, высокую величину возбуждения (высокое механическое напряжение), большое свободное механическое напряжение и полезную ширину полосы пропускания.
Уже были описаны некоторые способы приведения в действие (возбуждения) с использованием электрохимии, в которых ответственные за приведение в действие материалы находятся в газовой или жидкой фазе, и поэтому можно ожидать, что они будут иметь более низкие модули упругости и, следовательно, более низкую плотность энергии для приведения в действие и низкое механическое напряжение приведения в действие, по сравнению с подходом в соответствии с настоящим изобретением. Несмотря на то что в таких случаях наблюдали перемещение, нет сведений о выполнении механической работы. Таким образом, необходимо создание новых способов и устройств.
Краткое изложение изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к системам преобразователей, сконструированным и расположенным с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, причем каждая такая система содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод и положительный электрод, причем отрицательный электрод и/или положительный электрод образуют преобразователь, который содержит первый участок и второй участок, и в которой, за счет зарядки и/или разрядки, вещества интеркалируют, деинтеркалируют, легируют, окисляют или плакируют первый участок в иной степени, чем второй участок, в результате чего первый участок получает изменение размеров относительно второго участка, за счет чего преобразователь получает разностное механическое напряжение между первым и вторым участками, вызывающее перемещение по меньшей мере участка преобразователя, причем указанное перемещение преобразователя выполняет механическую работу без необходимости соединения со структурой, которая выполняет указанную работу.
Настоящее изобретение также имеет отношение к системам преобразователей, сконструированным и расположенным с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, причем каждая такая система содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод и положительный электрод, причем отрицательный электрод и/или положительный электрод образуют преобразователь, который содержит первый участок и второй участок, в которой, за счет зарядки и/или разрядки, вещества интеркалируют, деинтеркалируют или легируют первый участок в иной степени, чем второй участок, в результате чего первый участок получает изменение размеров относительно второго участка, за счет чего преобразователь получает разностное механическое напряжение между первым и вторым участками, вызывающее перемещение по меньшей мере участка преобразователя, причем указанное перемещение преобразователя выполняет механическую работу без необходимости соединения со структурой, которая выполняет указанную работу.
Настоящее изобретение также имеет отношение к системам преобразователей, сконструированным и расположенным с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, причем каждая такая система содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод и положительный электрод, причем отрицательный электрод и/или положительный электрод образуют преобразователь, который содержит первый участок и второй участок, в которой, после окисления и/или восстановления первого участка в иной степени, чем второго участка, первый участок в результате получает изменение размеров относительно второго участка, за счет этого преобразователь получает разностное механическое напряжение между первым и вторым участками, вызывающее перемещение по меньшей мере участка преобразователя, причем указанное перемещение преобразователя выполняет механическую работу без необходимости соединения со структурой, которая выполняет указанную работу.
Настоящее изобретение также имеет отношение к системам преобразователей, сконструированным и расположенным с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, причем каждая такая система содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод и положительный электрод, причем отрицательный электрод и/или положительный электрод образуют преобразователь, который содержит первый участок и второй участок, в которой, за счет зарядки и/или разрядки, вещества электрохимически осаждаются на первом участке в иной степени, чем на втором участке, в результате чего первый участок получает изменение размеров относительно второго участка, за счет чего преобразователь получает разностное механическое напряжение между первым и вторым участками, вызывающее перемещение по меньшей мере участка преобразователя, причем указанное перемещение преобразователя выполняет механическую работу без необходимости соединения со структурой, которая выполняет указанную работу.
Настоящее изобретение также имеет отношение к преобразовательным устройствам, причем каждое такое устройство содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод, положительный электрод и вещества, которые могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать первый участок электрохимического элемента в большей степени, чем второй участок электрохимического элемента, в результате чего первый и/или второй участки претерпевают изменение размеров за счет разрядки, вызывающее перемещение преобразователя, генерирующее механическую работу, причем электрохимический элемент сконструирован и расположен с возможностью зарядки при изготовлении, причем он частично разряжается за счет использования или дополнительно не заряжается после первой разрядки.
Настоящее изобретение также имеет отношение к инфузионным насосам, причем каждый такой насос содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, имеющий отрицательный электрод, положительный электрод и частицы интеркалирования, причем отрицательный электрод и/или положительный электрод претерпевает изменение размеров за счет зарядки и/или разрядки, что приводит к введению флюида в тело.
Настоящее изобретение также имеет отношение к преобразователям, которые сконструированы и расположены с возможностью использования в физиологической установке, причем каждый такой преобразователь содержит первый участок, смежный со вторым участком, при этом первый участок претерпевает изменение размеров за счет воздействия телесной жидкости, которая содержит частицы, причем результирующее электрохимическое интеркалирование частиц в первый участок, деинтеркалирование частиц из первого участка или окисление/ восстановление первого участка в результате контакта с частицами вызывает изменение размеров преобразователя.
Настоящее изобретение также имеет отношение к электрохимическим преобразователям для введения лекарственного средства в тело, причем каждый такой преобразователь содержит по меньшей мере один отрицательный электрод, по меньшей мере один положительный электрод и частицы, при этом электрохимический преобразователь подвергается воздействию напряжения или тока, причем приложение напряжения или тока или прекращение указанного приложения вызывает интеркалирование частиц по меньшей мере в один электрод электрохимического преобразователя, что приводит к изменению объема или размеров электрохимического преобразователя, и при этом изменение объема или размеров приводит к введению лекарственного средства в тело.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые являются схематичными и приведены не в реальном масштабе. Для упрощения понимания, не все элементы показаны на чертежах, причем не все варианты настоящего изобретения поясняются чертежами, когда это не мешает пониманию настоящего изобретения специалистами в данной области.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан пример системы преобразователя без приложения напряжения или тока (фиг.1А) и с приложением напряжения или тока (фиг.1B), в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.2 показан пример системы преобразователя без приложения напряжения или тока (фиг.2А) и с приложением напряжения или тока (фиг.2B), для дозированной подачи флюида в смежный флюидный контейнер, в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.3А-3С показаны система преобразователя, имеющая достаточную жесткость для того, чтобы воздействовать на скорость перемещения и длину хода преобразователя.
На фиг.4 показан пример системы преобразователя в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.5 показан другой пример системы преобразователя в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.6 показан еще один пример системы преобразователя в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения,
На фиг.7 показан еще один пример системы преобразователя в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения.
На фиг.8А показана система преобразователя, которая содержит первый и второй участки, образованные из разных материалов.
На фиг.8В показана система преобразователя, которая содержит первый и второй участки, образованные из разных материалов, после погружения в воду.
2
На фиг.9 показана система преобразователя, которая содержит Zn слой в виде Zn (фиг.9А), и после преобразования Zn в Zn(OH) (фиг.9B), что приводит к срабатыванию системы преобразователя.
2
На фиг.10 показана другая система преобразователя, которая содержит Zn слой в виде Zn (фиг.10А), и после преобразования Zn в Zn(OH) (фиг.10B), что приводит к срабатыванию системы преобразователя.
На фиг.11 показана система преобразователя, которая содержит пару ионов лития, причем преобразователь имеет нулевое механическое напряжение (нулевую деформацию) до воздействия электролита (фиг.11А) и срабатывает после воздействия электролита (фиг.11B).
На фиг.12 показана пара ионов лития или пара металлический никель - гибрид, собранная в заряженном состоянии (фиг.12А) и после самопроизвольного разряда после погружения в электролит (фиг.12B).
На фиг.13 показана система преобразователя, которая содержит два различных участка, до воздействия электролита (фиг.13А) и после воздействия электролита (фиг.13B), причем система претерпевает изгиб или получает форму чаши.
На фиг.14 показана система преобразователя, которая содержит два различных участка, до воздействия электролита (фиг.14А) и после воздействия электролита (фиг.14B), причем система претерпевает изгиб или раскрытие структуры.
На фиг.15 показана система преобразователя, имеющая шарнирную структуру, до воздействия частиц (фиг.15А) и после воздействия частиц (фиг.15B), когда система срабатывает.
На фиг.16 схематично показан электрохимический насос, не требующий источника питания.
На фиг.17 показан график перемещения в зависимости от времени для не требующего источника питания преобразователя морфинга с встроенным усилителем деформации.
На фиг.18 показан график перемещения в зависимости от времени для электрохимического преобразователя морфинга, управляемого за счет 20% рабочего цикла.
На фиг.19 показан гальваностатический профиль разряда биморфного электрохимического преобразователя, в котором используют оловянную фольгу (станиоль) толщиной 0.10 мм, соединенную с медной фольгой.
На фиг.20 показан гальваностатический профиль разряда биморфного электрохимического элемента, в котором используют оловянную фольгу толщиной 0.05 мм, соединенную с медной фольгой.
Все заявки на патенты и патенты, которые включены в данное описание в качестве ссылки, включены в него в качестве ссылки полностью. В случае конфликта, преобладающим является настоящее описание, в том числе и определения.
Подробное описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются системы и устройства, которые предусматривают электрохимическое приведение в действие, и связанные с ними способы.
В некоторых случаях, в соответствии с настоящим изобретением предлагаются системы (например, системы преобразователей), которые могут содержать по меньшей мере один компонент, причем приложение напряжения или тока к компоненту может вызывать изменение объема или размеров компонента. В некоторых случаях, изменение объема или размеров может создавать механическую работу. В некоторых вариантах, по меньшей мере участок системы может быть сконструирован и расположен с возможностью перемещения из одной ориентации в другую ориентацию. Система также может быть связана с другой структурой, так что изменение объема или размеров системы может влиять на ориентацию, форму, размер, объем или другую характеристику структуры. Такие системы могут быть полезны в различных применениях, в том числе в насосах (например, в инфузионных насосах) и, например, в устройствах для доставки (введения) лекарственного средства.
В некоторых вариантах, система может иметь частицы, связанные с одним или несколькими компонентами (например, с электродами) во время работы системы. Частицы, такие как ион, способны взаимодействовать с одним или несколькими участками устройства. В некоторых вариантах в соответствии с настоящим изобретением может быть предусмотрено взаимодействие частиц с одним или несколькими электродами устройства, создающее изменение объема или размеров электрода. Использованное здесь выражение "изменение объема или размеров" относится к расширению, сжатию и/или другому перемещению системы или участка системы. Изменение объема или размеров может иметь одну или несколько величин расширения, сжатия, удлинения, укорочения, скручивания, изгиба, сдвига или другого перемещения в одном или нескольких измерениях. В некоторых случаях, изменение объема или размеров может быть изотропическим. В некоторых случаях, изменение объема или размеров может быть анизотропическим. Некоторые изменения могут быть использованы для выполнения механической работы, то есть для приведения в действие. Системы могут иметь любой диапазон изменения объема или размеров, который подходит для специфического применения. Например, система преобразователя может быть установлена в контакте с флюидным контейнером и может расширяться и сжиматься так, что система служит в качестве насоса для дозированного выпуска флюида из флюидного контейнера.
В некоторых вариантах, в соответствии с настоящим изобретением предлагается электрохимический преобразователь, который содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, имеющий анод, катод и частицы (например, ион лития), причем электрохимический элемент претерпевает изменение объема или размеров при приложении напряжения или тока. В некоторых вариантах, электрохимический преобразователь также содержит структуру, которая содержит по меньшей мере один участок, сконструированный и расположенный с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, например, за счет изменения объема или размеров одного или множества электрохимических элементов. При перемещении участка структуры выполняется механическая работа. Как это описано далее более подробно, различные системы могут быть приведены в действие за счет изменения объема или размеров электрохимического элемента.
Использованное здесь выражение относительно того, что система преобразователя "сконструирована и расположена с возможностью перемещения", относится к системе преобразователя, которая может изменять ориентацию системы, за счет перемещения (например, срабатывания) по меньшей мере участка системы, что влияет на характеристики системы или структуры, связанной с системой в заданной области применения. Специалисты в данной области легко поймут смысл этого выражения. В показанном варианте, система преобразователя может быть расположена рядом со структурой, такой как флюидный контейнер или резервуар, причем система преобразователя сконструирована и расположена так, что движение или другое перемещение системы влияет на положение, форму, размер или другую характеристику флюидного контейнера, чтобы откачивать или выдавать флюид из флюидного контейнера.
Преимущественно, перемещение системы или участка системы из первой ориентации во вторую ориентацию может быть достигнуто при помощи различных способов, например за счет изгиба, придания формы чаши, скручивания, удлинения и сжатия, что может быть создано, например, за счет изменения композиции материала системы, за счет изменения конфигурации одного или нескольких электрохимических элементов системы, за счет приложения напряжения или тока, за счет изменения рабочего цикла или за счет изменения рабочих параметров, как это описано далее более подробно. В тех случаях, когда система связана с структурой, перемещение системы может быть вызвано, например, изменением положения электрохимического элемента относительно перемещаемой структуры, изменением конфигурации структуры, изменением любых материалов, которые находятся в рабочей связи между электрохимическим элементом и структурой, и/или изменением композиции материала компонентов. В некоторых случаях, перемещением может быть линейное перемещение участка системы. В некоторых случаях, перемещением может быть придание формы чаши участку системы. Например, система может иметь участок в виде диска, который может иметь первую, плоскую ориентацию, причем после срабатывания участок в виде диска может получать полусферическую, вторую ориентацию.
Кроме того, степень перемещения структуры или участка структуры может быть выбрана в соответствии со специфическим применением. Например, в некоторых вариантах, электрохимические элементы в соответствии с настоящим изобретением могут вызывать перемещение структуры или участка структуры, составляющее, например, больше чем 5 градусов, больше чем 10 градусов, больше чем 20 градусов, больше чем 30 градусов или больше чем 40 градусов. В зависимости от специфического применения, в других вариантах, электрохимические элементы могут вызывать перемещение, составляющее, например, больше чем 1 см, больше чем 10 см, больше чем 20 см, больше чем 50 см или больше чем 1 м.
В некоторых случаях, изменение объема или размеров электрохимического элемента за счет заряда или разряда может быть использовано для осуществления физического перемещения системы, участка системы или структуры, смежной с системой или иным образом связанной с ней. Изменение объема или размеров (например, чистое изменение объема) может быть положительным, нулевым или отрицательным во время заряда или разряда. В некоторых случаях, чистое изменение объема может быть легко подсчитано исходя из изменений объемов, которые происходят в каждом из образующих материалов, с использованием табулированных данных для молярных объемов образующих материалов электрохимического элемента в функции от их композиции или состояния заряда или может быть измерено непосредственно на электрохимическом элементе.
Множество различных структур могут быть приведены в действие при помощи описанного здесь электрохимического элемента. В некоторых вариантах, в соответствии с настоящим изобретением предлагаются системы преобразователей (например, электрохимические преобразователи), сконструированные и расположенные с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, за счет зарядки и/или разрядки. В некоторых случаях, система преобразователя может быть сконструирована и расположена с возможностью изменения из первой формы во вторую форму, за счет зарядки и/или разрядки. В некоторых случаях, перемещение, созданное при помощи преобразователя, может иметь такой же знак (например, положительный или отрицательный), как и изменение объема или размеров, происходящее в электрохимическом элементе. Например, положительное перемещение (например, увеличение линейного размера) может соответствовать положительному чистому изменению объема (например, расширению) собственно электрохимического элемента, а отрицательное перемещение (уменьшение линейного размера) может соответствовать отрицательному чистому изменению объема (сжатию) собственно электрохимического элемента. В некоторых случаях, перемещение, созданное за счет преобразователя, может не иметь такой же знак, как изменение объема или размеров, происходящее в электрохимическом элементе. Например, как это описано в примерах, положительное перемещение может быть создано за счет электрохимического элемента, который испытывает чистое отрицательное изменение объема. Таким образом, перемещение преобразователя может быть развязано от изменения объема или размеров электрохимического элемента.
Система преобразователя может иметь по меньшей мере один электрохимический элемент, имеющий отрицательный электрод и положительный электрод. Система преобразователя также может иметь, например, два или больше, четыре или больше, десять или больше, двадцать или больше, пятьдесят или больше электрохимических элементов, которые могут работать последовательно или параллельно. В некоторых вариантах, множество электрохимических элементов могут быть электрически соединены в параллель, но могут быть уложены друг на друга так, чтобы увеличивать полное перемещение, при поддержании низкого электрического напряжения всего устройства. В некоторых вариантах, чистое изменение объема электрохимического преобразователя используют для осуществления физического перемещения, получаемого за счет нагнетания или откачки флюида, или для введения флюида в тело, в том числе (но без ограничения) флюида, который содержит лекарственное средство.
В некоторых вариантах, отрицательный электрод и/или положительный электрод образует преобразователь и может изменять форму и/или может быть перемещен из первой ориентации во вторую ориентацию, за счет зарядки и/или разрядки электрохимического элемента. В некоторых случаях, система преобразователя может иметь первый участок и второй участок, при необходимости имеющие электрическую связь друг с другом, причем первый участок и второй участок претерпевают разностное изменение объема или размеров или разностное перемещение, за счет зарядки и/или разрядки. Например, электрод (электроды) претерпевает изменение формы, или же перемещение может иметь первый участок, который создает механическое ограничение второго участка, которое может облегчать перемещение электрода (электродов). В некоторых вариантах, первый участок имеет электрическую связь со вторым участком. В некоторых вариантах, первый участок не имеет электрическую связь со вторым участком.
В некоторых случаях, первый участок и второй участок (например, соответствующие положительному и отрицательному электродам, или наоборот, электрохимического элемента) могут иметь форму слоев, которые могут быть расположены непосредственно рядом друг с другом или, в других вариантах, могут быть разделены друг от друга при помощи другого материала. В некоторых вариантах, первый и второй участки связаны друг с другом. В некоторых вариантах, первый и второй участки представляют собой различные области одной и той же части системы, причем один участок претерпевает электрохимически созданное изменение объема или размеров в большей степени, чем другой участок.
В некоторых вариантах, за счет зарядки и/или разрядки, частицы (например, частицы интеркалирования, электрон или плакирующие частицы) интеркалируют, деинтеркалируют, легируют, окисляют, восстанавливают или плакируют первый участок в иной степени (например, в различной концентрации, при различном механическом напряжении, в различном объеме, при различном изменении формы), чем второй участок. Например, частицы могут главным образом интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать первый участок, но не второй участок, или второй участок в меньшей степени, чем первый участок. В результате разностного интеркалирования, деинтеркалирования, легирования, окисления, восстановления или плакирования первого участка в иной степени, чем второго участка, первый участок может испытывать результирующее изменение размеров, такое как увеличение или уменьшение объема или линейного размера, или изменение коэффициента формы. Так как частицы не интеркалируют, не деинтеркалируют, не легируют, не окисляют, не восстанавливают или не плакируют второй участок или делают это в меньшей степени, чем для первого участка, то второй участок может не претерпевать существенного изменения размеров или может не претерпевать такого же изменения размеров, как первый участок. В результате, разностное механическое напряжение (например, встречно-включенные механические напряжения) создается между первым и вторым участками, которое может вызывать перемещение (например, внутренний изгиб или прогиб) по меньшей мере участка преобразователя. Результирующее перемещение преобразователя может выполнять механическую работу без необходимости соединения со структурой, которая выполняет указанную работу. В некоторых вариантах в соответствии с настоящим изобретением, возбуждение преобразователя может создавать расширение, сжатие, изгиб, прогибание, придание формы чаши, сгибание, свертывание или другие формы перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию.
В некоторых случаях, система преобразователя сама по себе является структурой, усиливающей или ослабляющей механические напряжения. Например, система преобразователя или ее участок (например, электрод) могут усиливать любое перемещение, возникающее, например, за счет изменения объема, которое происходит в системе или на ее участке. В некоторых вариантах, система преобразователя или устройство могут усиливать перемещение, возникающее за счет изменения объема электрода. Перемещение преобразователя может быть использовано для создания силы или для выполнения перемещения структуры смежного преобразователя.
В любых описанных здесь системах преобразователей и устройствах (например, в насосах), перемещение системы преобразователя или ее участка может быть использовано для выполнения механической работы, без необходимости соединения со структурой, которая выполняет указанную работу. В некоторых случаях, система преобразователя может быть соединена со структурой, которая выполняет механическую работу (например, с усиливающей механическое напряжение структурой или с ослабляющей механическое напряжение структурой). В некоторых случаях, система преобразователя может быть не соединена со структурой, которая выполняет механическую работу.
Пример системы преобразователя приведен в варианте, показанном на фиг.1А. Как это показано в этом пояснительном варианте, система 110 преобразователя имеет отрицательный электрод 112, который имеет электрическую связь с положительным электродом 114. Положительный электрод 114 может иметь первый участок 116 и второй участок 118. В некоторых вариантах, участки 116 и 118 образованы из разных материалов. Участки 116 и 118 также могут иметь различные электрические потенциалы. Например, участок 116 может иметь материал, который частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать в иной степени, чем участок 118. Участок 118 может быть образован из материала, который частицы главным образом не могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать. В некоторых случаях, участок 116 может быть образован из материала, который выбран из группы, в которую входят алюминий, сурьма, висмут, углерод, галлий, кремний, серебро, олово, цинк, или из других материалов, которые могут расширяться за счет интеркалирования или легирования или образования соединения с литием. В соответствии с предпочтительным вариантом, участок 116 образован из материала, который содержит алюминий и который может расширяться за счет интеркалирования литием. Участок 118 может быть образован из меди, так как медь главным образом не интеркалирует или не легирует литий. В некоторых случаях, участок 118 может действовать как токосъемник положительного электрода и может расширяться в направлении наружу от электрохимического элемента, например, с образованием контактного столбика или токового вывода. В других вариантах, участок 118 может быть соединен с контактным столбиком или токовым выводом, который выходит наружу из электрохимического элемента. Отрицательный электрод 112 также может иметь токосъемник. Система 110 преобразователя может иметь сепаратор 122. Сепаратором может быть, например, пористая разделительная пленка, такая как сетка из стекловолокон, или это может быть пористый полимерный сепаратор. Могут быть использованы и другие типы сепараторов, например такие, которые используют в литиевых ионных батареях. Преобразователь также может содержать электролит 124, который может иметь форму жидкости, твердого тела или геля. Электролит может содержать электрохимически активные частицы, аналогичные тем, которые используют для образования отрицательного электрода. Система 110 преобразователя может иметь герметичную оболочку 126, такую как полимерная упаковка.
Как это показано в варианте на фиг.1В, электрохимический элемент может иметь напряжение 132, так что когда образован замкнутый контур между отрицательным и положительным электродами, электронный ток может протекать между двумя электродами через внешнюю цепь. Если отрицательный электрод 112 представляет собой электрод из металлического лития и электролит содержит ионы лития, то ток ионов лития может протекать внутри из электрода 112 в электрод 114. Интеркалирование участка 116 литием может приводить к изменению размеров, такому как расширение объема. В некоторых случаях, это расширение объема может достигать по меньшей мере 25%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 75%, по меньшей мере 100%, по меньшей мере 150%, по меньшей мере 200%, по меньшей мере 250% или по меньшей мере 300% по сравнению с начальным объемом. Большое расширение объема может происходить, например, когда участок 116 насыщен литием. Когда участок 116 увеличивается в объеме за счет интеркалирования литием, тогда участок 118, с которым может быть связан участок 116, может главным образом не расширяться, по причине минимального интеркалирования литием или отсутствия такого интеркалирования. Таким образом, участок 116 создает механическое ограничение. Это разностное механическое напряжение между двумя участками приводит к тому, что положительный электрод 114 испытывает изгиб или выгиб. В результате изменения размеров и перемещения положительного электрода, система 110 преобразователя может быть перемещена из первой ориентации во вторую ориентацию. Это перемещение может происходить за счет изменения объема или размеров (например, за счет чистого изменения объема) электрохимического элемента, в результате потери металлического лития из отрицательного электрода и образования интеркалированного литием соединения или сплава лития у положительного электрода, которое является положительным, нулевым или отрицательным. В некоторых случаях, перемещение преобразователя может происходить за счет изменения объема или размеров (например, за счет чистого изменения объема) системы преобразователя или ее участка, которое является положительным. В некоторых случаях, перемещение преобразователя может происходить за счет изменения объема или размеров (например, за счет чистого изменения объема) системы преобразователя или ее участка, которое является нулевым. В некоторых случаях, перемещение преобразователя может происходить за счет изменения объема или размеров (например, за счет чистого изменения объема) системы преобразователя или ее участка, которое является отрицательным.
Использованное здесь выражение "разностное механическое напряжение" между двумя участками относится к разности откликов (например, к разности возбуждения) каждого индивидуального участка при приложении напряжения или тока к двум участкам. Таким образом, описанная здесь система может иметь компонент, который содержит первый участок и второй участок, связанный (например, имеющий контакт или полностью объединенный) с первым участком, причем главным образом в одинаковых условиях, первый участок может испытывать изменение объема или размеров, а второй участок может не испытывать изменение объема или размеров, за счет чего создается механическое напряжение между первым и вторым участками. Разностное механическое напряжение может побуждать компонент или его участок перемещаться из первой ориентации во вторую ориентацию. В некоторых случаях, разностное механическое напряжение может быть получено за счет разностного интеркалирования, деинтеркалирования, легирования, окисления, восстановления или плакирования частицами одного или нескольких участков системы преобразователя.
Например, разностное интеркалирование, деинтеркалирование, легирование, окисление, восстановление или плакирование участка 116 относительно участка 118 может быть осуществлено различными средствами (фиг.1А). В соответствии с одним из вариантов, как уже было указано здесь выше, участок 116 может быть образован из иного материала, чем участок 118, причем частицы интеркалируют, деинтеркалируют, окисляют, восстанавливают, легируют или плакируют один из материалов, в то время как второй участок взаимодействует с частиами в меньшей степени. В другом варианте, участок 116 и участок 118 могут быть образованы из одинакового материала. Например, участок 116 и участок 118 могут быть образованы из одинакового материала, который может быть главным образом плотным или пористым, например, может быть прессованным или спеченным порошком или вспененной структурой. В некоторых случаях, чтобы получить разностное механическое напряжение при работе электрохимического элемента, участок 116 или 118 может иметь существенную толщину, так что во время работы электрохимического элемента может возникать градиент композиции за счет ограниченного переноса ионов, создающий разностное механическое напряжение. В некоторых вариантах, один участок или область одного участка преимущественно могут подвергаться воздействию частиц в большей степени, чем второй участок или область второго участка. В других случаях, экранирование или маскирование одного участка относительно другого участка может приводить к меньшему или большему интеркалированию, деинтеркалированию или легированию экранированного или маскированного участка по сравнению с неэкранированным или немаскированным участком. Это может быть осуществлено, например, за счет обработки поверхности или осаждения барьерного слоя, за счет ламинирования материалом барьерного слоя, или за счет химической или термической обработки участка поверхности, который следует экранировать или маскировать, чтобы облегчить или затруднить интеркалирование, деинтеркалирование, легирование, окисление, восстановление или плакирование участка. Барьерные слои могут быть образованы из любого подходящего материала, в том числе из полимеров, металлов или керамики. В некоторых случаях, барьерный слой также может выполнять другую функцию в электрохимическом элементе, например может быть использован как токосъемник. В соответствии с некоторыми вариантами, барьерный слой может быть равномерно осажден на поверхность. В других случаях, барьерный слой может создавать градиент в композиции и/или размере, так что только некоторые участки поверхности преимущественно облегчают или затрудняют интеркалирование, деинтеркалирование, легирование, окисление, восстановление или плакирование поверхности. Возможны линейный, ступенчатый, экспоненциальный и другие градиенты. В некоторых вариантах, изменение пористости вдоль участка 116 или 118, в том числе подготовка (создание) плотного поверхностного слоя, могут быть использованы для содействия созданию градиента концентрации ионов и разностного механического напряжения. В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие виды взаимодействия частиц с первым участком в иной степени, чем со вторым участком, так чтобы создавать разностное механическое напряжение между первым и вторым участками. В некоторых вариантах, изгиб или выгиб электрода используют для создания силы или для осуществления перемещения, которые выполняют полезную функцию, как это описано далее более подробно.
В различных описанных здесь вариантах, первый и второй участки могут быть образованы из различных материалов, что приводит к различным характеристикам и свойствам. Однако следует иметь в виду, что в любом из описанных здесь вариантов. первый участок и второй участок также могут быть образованы главным образом из одинакового материала. В тех случаях, когда первый участок и второй участок образованы из одинакового материала, первый и второй участки при необходимости могут иметь по меньшей мере одну отличающуюся характеристику, такую как размер, толщина, пористость и т.п., которая позволяет обеспечивать разностное интеркалирование, деинтеркалирование, легирование, окисление, восстановление или плакирование, создающее разностное механическое напряжение. Например, первый и второй участки могут иметь одинаковый материал, но с различной пористостью, что приводит к градиенту пористости между первым и вторым участками. В некоторых случаях, первый участок может иметь пористый материал (например, прессованный порошок, вспененный материал), имеющий первую плотность, а второй участок может иметь пористый материал, имеющий вторую плотность, отличающуюся от первой плотности.
Как уже было указано выше, некоторые варианты в соответствии с настоящим изобретением предусматривают взаимодействие частиц с одним или несколькими электродами. Например, электрод (электроды) может быть интеркалирован частицами. В некоторых вариантах, во время работы системы преобразователя или устройства, один электрод может получать изменяющуюся в пространстве концентрацию частиц, в результате чего возникает разностное механическое напряжение, создающее перемещение по меньшей мере участка системы или устройства. Таким образом, частицы могут, например, интеркалировать один участок электрода в большей степени, чем второй участок электрода, в результате чего возникает разностное механическое напряжение.
Преобразователи в соответствии с настоящим изобретением или их участки (например, электроды), в особенности те, которые содержат по меньшей мере первый участок, который частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать в иной степени, чем второй участок, могут иметь любую подходящую форму, такую как пластинка, лист, полоса, согнутый лист или полоса, брус, чашка, стержень, трубка, цилиндр и т.п., при условии, что они могут быть перемещены из первой ориентации во вторую ориентацию, что может быть использовано для осуществления желательной функции. В некоторых случаях, по меньшей мере участок преобразователя может быть перфорирован и/или может иметь множество «ножек», или «плеч», или ветвей. В некоторых случаях, положительный электрод и/или отрицательный электрод является неплоским. Например, положительный электрод и/или отрицательный электрод может иметь форму пластинки или таблетки или другую неплоскую форму. В некоторых вариантах, положительный электрод и/или отрицательный электрод может иметь любую форму и может иметь по меньшей мере одну канавку, причем такая канавка (канавки) может облегчать и/или направлять перемещение системы преобразователя или ее участка. Например, электрод может иметь канавки или выступы, чтобы облегчать или направлять перемещение электрода из первой ориентации во вторую ориентацию. В некоторых случаях, электрод при срабатывании может быть согнут вдоль по меньшей мере одной канавки.
Преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут иметь размеры от нанометрового диапазона до микронного и макроскопического. Например, в соответствии с некоторыми вариантами, система 110 преобразователя может иметь по меньшей мере один размер меньше чем или равный 1 м, меньше чем или равный 10 см, меньше чем или равный 1 см, меньше чем или равный 1 мм, меньше чем или равный 100 мкм, меньше чем или равный 10 мкм, меньше чем или равный 1 мкм, меньше чем или равный 100 нм или меньше чем или равный 10 нм.
Электрод преобразователя также может иметь размеры от нанометрового диапазона до микронного и макроскопического. Например, в некоторых вариантах, электрод 114 может иметь по меньшей мере один размер меньше чем или равный 1 м, меньше чем или равный 10 см, меньше чем или равный 1 см, меньше чем или равный 1 мм, меньше чем или равный 100 мкм, меньше чем или равный 10 мкм, меньше чем или равный 1 мкм, меньше чем или равный 100 нм или меньше чем или равный 10 нм.
2
2
2
Преобразователи (содержащие электроды), которые содержат первый участок, который частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать в иной степени, чем второй участок, могут быть образованы из любого подходящего материала в любой подходящей форме, которая позволяет иметь взаимодействие с указанными частицами (например, это может быть размерно-активный материал). В некоторых вариантах, первый участок образован из пористого материала, который изменяет размеры за счет ионообмена. Изменением размеров может быть относительно однородное расширение объема или сжатие, или это может быть изгиб, или выгиб, или деформация с приданием формы чаши, за счет создания разностного механического напряжения, как уже было указано здесь выше. Пористым материалом может быть прессованный порошок, или вспененный металл, или композит размерно-активного материала. Второй участок может быть образован из не размерно-активного материала. Первый и второй участки при необходимости могут содержать добавки, такие как связующий материал, или проводящую добавку, такую как углерод или металл. Размерно-активный материал может иметь, например, одну или несколько следующих частиц: Al, Au, Ag, Ga, Si, Ge, Ti, Sn, Sb, Pb, Zn, углерод, графит, твердый углерод, мезопористый углерод, оксид, оксид интеркалирования, слоистый оксид, минеральная глина, сульфид, слоистый сульфид, TiS, MoS и WS. Следует иметь в виду, что преобразователи в соответствии с настоящим изобретением также могут содержать другие металлы, содержащие металл соединения, неорганические материалы и т.п.
В некоторых случаях, преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут испытывать изменение размеров, созданное за счет изменения размеров пористого электрода при ионообмене. В некоторых случаях, пористый электрод, за счет зарядки и/или разрядки, претерпевает изменение размеров, которым может быть изгиб, прогиб или придание формы чаши. В некоторых вариантах, пористый электрод может иметь градиент пористости, причем первый участок пористого электрода имеет пористость, которая отличается от пористости второго участка пористого электрода. В некоторых случаях, пористый электрод дополнительно содержит поверхностный слой в контакте с пористым электродом, причем поверхностный слой интеркалирован, деинтеркалирован, легирован, окислен, восстановлен или плакирован в большей степени, чем (лежащий под ним) пористый электрод. Поверхностный слой может частично или главным образом полностью покрывать или капсулировать внешнюю поверхность пористого электрода, так что поверхностный слой может быть непосредственно открыт к другим компонентам системы. В некоторых случаях, поверхностный слой может быть интеркалирован или легирован в большей степени, чем лежащий под ним пористый электрод. В некоторых случаях, поверхностный слой может иметь более высокую плотность, чем лежащий под ним пористый электрод.
В некоторых случаях, частицы, которые могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать по меньшей мере участок преобразователя (например, участок электрода), могут иметь форму иона. В качестве примеров (но без ограничения) ионов можно привести протон, гидроксильный ион, сульфатный ион, ион хлората, фосфатный ион и нитратный ион. В других случаях, частицами может быть щелочной металл или щелочноземельный металл. В некоторых вариантах, частицы представляют собой электрон, который может вызывать окисление или восстановление по меньшей мере участка поверхности. В других вариантах, частицы представляют собой плакирующие частицы, которые могут быть электрохимически осаждены на первый участок в иной степени, чем на второй участок. В некоторых случаях, частицы могут быть выбраны из группы, в которую входят протон, щелочной ион, литий, ионный комплекс, гидроксильный ион, ион карбоната, ион хлората, сульфатный ион, фосфатный ион, другие многоатомные ионные комплексы и т.п. В некоторых случаях, частицы могут быть выбраны из группы, в которую входят протон, щелочной ион, ионный комплекс, гидроксильный ион, ион карбоната, ион хлората, сульфатный ион и фосфатный ион. В некоторых случаях, частицы представляют собой протон.
Частицы могут первоначально присутствовать в электрохимическом элементе в виде твердого тела, например в виде материала, который используют для образования активных частиц положительного или отрицательного электродов. В других случаях, частицы могут быть в форме твердого тела, которое является слоистым в одном из электродов, но не является частью активного материала электрода. В другом варианте, частицы могут иметь форму отдельного твердого источника ионов, такого как твердый электролит. В еще одном варианте, частицы могут присутствовать в виде жидкости или геля, например, в качестве электролита, причем они могут присутствовать в электрохимическом элементе ранее его первой зарядки/разрядки. В других вариантах, эти частицы могут присутствовать в веществе снаружи от электрохимического элемента. Например, частицы могут присутствовать в окружающей среде, в которой используют преобразователь. В соответствии со специфическим вариантом, преобразователь выполнен с возможностью погружения во флюид, содержащий частицы, которые могут интеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать участок электрода электрохимического элемента. Например, флюидом может быть телесная жидкость, а частицами могут быть ионные частицы, присутствующие в телесной жидкости.
В некоторых случаях, устройство в соответствии с настоящим изобретением может иметь анод, катод и ионы лития в качестве частиц. За счет приложения электрического поля между анодом и катодом, устройство может быть обратимо заряжено и разряжено. В некоторых случаях, при зарядке, ионы лития могут быть внедрены в анод, так что анод претерпевает изменение объема или размеров относительно катода, объем или размеры которого остаются главным образом неизменными. При разрядке, ионы лития могут перемещаться из анода в катод, так что ионы лития будут внедрены в катод. В результате, может происходить возврат объема или размеров анода к тем, которые были до зарядки, а катод может испытывать изменение объема или размеров относительно анода. В некоторых случаях, оба анод и катод, одновременно или не одновременно, могут испытывать изменение объема или размеров в цикле зарядки/разрядки. В некоторых случаях, только анод или катод может испытывать изменение объема или размеров в цикле зарядки/разрядки.
Преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы в различных применениях. Например, преобразователи могут быть использованы в микрофлюидных устройствах, в которых, например, функции переключения и клапанного управления могут быть осуществлены при помощи преобразователя. В других случаях, преобразователь может быть использован как насос для создания потока флюида в канале или из отверстия, в том числе как насос для управляемой подачи лекарственного средства. В других вариантах, преобразователь может быть частью внешнего или вживляемого медицинского устройства. Частицы, которые могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать по меньшей мере участок преобразователя (например, участок электрода), могут быть частью электрохимического элемента, в соответствии с некоторыми вариантами (например, при изготовлении ранее использования); однако, в других вариантах, они могут быть компонентом окружающей среды, в которой используют преобразователь. Преобразователи также могут быть частью микроэлектромеханических систем (MEMS), таких как микрозеркальные решетки, в которых имеющие доступный адрес микропреобразователи приводят в действие индивидуально. В других случаях, один или несколько преобразователей могут быть сконструированы и расположены с возможностью развертывания (раскрывания) в структуре при приложении тока или напряжения. Такие структуры могут быть использованы, например, в качестве палаток или как подмостки. В других случаях, преобразователь в соответствии с настоящим изобретением может быть компонентом хирургического инструмента или медицинского имплантата, который при подводе электроэнергии может расширяться или сжиматься. Различные применения описаны далее более подробно.
В некоторых вариантах, преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для перемещения или деформирования структуры, смежной с преобразователем. Например, как это показано в варианте на фиг.2А, система 150 преобразователя содержит преобразователь 151, который работает как насос для откачки флюида 170 из резервуара 172. Насос может дозированно выдавать различные объемы флюида, например больше чем 0.01 мл, больше чем 0.01 мл, больше чем 1 мл, больше чем 5 мл, больше чем 10 мл, больше чем 100 мл и больше чем 1 л. Преобразователь 151 может работать аналогично преобразователю 110, описанному со ссылкой на фиг.1. Вкратце, частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать первый участок 156 электрода 154 неоднородным образом относительно участка 158, так что разностное механическое напряжение возникает между первым и вторым участками. Второй участок может быть механически ограничен, что вызывает изгиб или выгиб электрода 154 и, в результате, изгиб или выгиб преобразователя 151. Резервуар 172, расположенный рядом с преобразователем 151, может быть изготовлен из деформируемого материала, так что изгиб преобразователя 151 вызывает повышение давления внутри резервуара, которое принудительно побуждает флюид 170 вытекать из резервуара, как это показано на фиг.2В. В некоторых вариантах, скоростью вытекания флюида 170 из резервуара можно управлять за счет скорости и/или степени перемещения (например, длины хода) преобразователя из первого положения во второе положение. Скоростью вытекания можно управлять так, что она может быть постоянной или переменной. Скоростью и/или степенью воздействия можно управлять при помощи таких параметров, как амплитуда и/или длительность приложенного тока или напряжения (например, во время зарядки или разряди), концентрация частиц, которые интеркалируют, деинтеркалируют, легируют или плакируют электрод электрохимического элемента, и размеры и композиции материалов, использованных для создания электрохимического элемента, такие как конфигурация и композиции материалов первого и второго участков преобразователя, которые частицы интеркалируют в различной степени.
Один или несколько электрохимических элементов могут быть расположены, при необходимости, в сочетании с одним или несколькими компонентами, так чтобы создавать перемещение системы или участка системы. В некоторых случаях, электрохимические элементы, имеющие различные возможности приведения в действие, могут быть расположены на поверхности в виде рисунка, причем каждый электрохимический элемент имеет независимое управление. В контексте настоящего изобретения могут быть использованы и другие конфигурации электрохимических элементов, компонентов и/или устройств, как это описано, например, в заявке на патент США No. 2006/0102455, которая основана на заявке на патент США No. 11/150,477, и в международной публикации WO 2005/124918, которая основана на международной заявке No. PCT/US/2005/020554, обе из которых включены в данное описание в качестве ссылки.
Преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут быть изготовлены из материалов с различной жесткостью, что позволяет обеспечивать различные диапазоны скоростей срабатывания и различные длины хода. Например, преобразователь, имеющий большую длину хода, может быть изготовлен из одного или нескольких материалов, имеющих относительно низкую жесткость. В таком варианте, короткий импульс тока может вызывать медленное перемещение преобразователя из первой ориентации во вторую ориентацию. В отличие от этого, преобразователь, изготовленный из одного или нескольких более жестких материалов, может перемещаться, только когда приложен ток. В таком варианте, преобразователь может перемещаться из первой ориентации во вторую или третью ориентацию при каждом приращении приложенного тока, причем, в некоторых случаях, вне зависимости от нагрузки. В некоторых вариантах, передача энергии из преобразователя в механическую систему будет максимальной при совпадении жесткости преобразователя и механической системы. Таким образом, выбор материалов преобразователя может быть произведен в зависимости от конкретного применения и/или на основании желательного вида приведения в действие.
а
а
с
с
b
b
с
На фиг.3А-3С показаны примеры того, как жесткость преобразователя может влиять на скорость перемещения и длину хода преобразователя. В варианте, показанном на фиг.3А, преобразователь 180 имеет первый участок, который частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать в иной степени, чем второй участок. Конец 181 преобразователя может быть закреплен в таком положении, при котором преобразователь находится в первом положении . Преобразователь может находиться рядом с поршнем 190 и резервуаром 192, который содержит флюид 194. После неоднородного интеркалирования, деинтеркалирования, легирования, окисления, восстановления или плакирования частицами (например, первого участка относительно второго участка преобразователя), преобразователь 180 может быть перемещен из положения  в положение , как это показано на фиг.3С. Преобразователь 180 может быть образован из одного или нескольких материалов, имеющих низкую жесткость, чтобы получить большую длину хода "ас". Это может быть достигнуто, например, за счет приложения короткого импульса тока к преобразователю, в результате чего преобразователь перемещается, что вызывает перемещение поршня 190, который побуждает флюид вытекать из резервуара. Короткий импульс тока может медленно выталкивать флюид из резервуара до тех пор, пока преобразователь не займет новое положение  равновесия. В отличие от этого, на фиг.3В показан преобразователь 182, образованный из материала с высокой жесткостью, находящийся в первой ориентации, в которой конец преобразователя находится в положении . После приложения тока с такой же амплитудой и длительностью, что и к преобразователю 180, преобразователь 182 может перемещаться из положения  в положение , как это показано на фиг.3С. Длина хода преобразователя 182 "bc" короче, чем длина хода преобразователя 180 "ас", за счет различной жесткости материалов, использованных для образования преобразователей 180 и 182. В некоторых вариантах, преобразователи могут быть соединены в батарею, например, параллельно или последовательно, чтобы повысить нагрузочную способность или силу, приложенную к структуре.
Приведенные далее примеры дополнительно поясняют различные конфигурации и пути возможного внедрения преобразователей в соответствии с настоящим изобретением.
В варианте, показанном на фиг.4, система 200 преобразователя содержит преобразователь 210, который имеет положительный электрод 212, отрицательный электрод 214 и слой 216 электролита, содержащий частицы 218, которые могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать положительный или отрицательный электрод. Прохождение частиц через слой электролита под приложенным напряжением 220 может быть использовано для перемещения преобразователя 210 вверх или вниз в направлении стрелок 222 и 224. Это перемещение может приводить к воздействию, которое, например, может быть использовано для открывания или закрывания клапана, перемещения зеркала, насоса, флюида и т.п. Как уже было указано выше, комбинация материалов, использованных для образования положительного и отрицательного электродов, может варьировать. Например, подходящие материалы могут содержат активные материалы батареи с ионами лития или батареи никель - гибрид металла. В соответствии с этим вариантом, система 210 преобразователя прикреплена на одном конце к подложке 228. Подложка может действовать как механический ограничитель, так что участок 230 преобразователя претерпевает минимальное перемещение или не имеет его. Так как участок 232 преобразователя не закреплен, этот участок претерпевает перемещение, которое приводит к изгибу.
В другом варианте, частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать участок преобразователя, который может быть расположен так, что участок преобразователя преимущественно открыт для воздействия частиц, в то время как другой участок преобразователя не открыт или открыт для воздействия частиц в меньшей степени. Например, в варианте, показанном на фиг.5, система 250 преобразователя содержит преобразователь 252, который содержит участок 254 и участок 256. Участок 256, который погружен в вещество 262 (например, в электролит), может быть открыт для воздействия частиц 260 в большей степени, чем участок 254. Участок 254 и подложка 264 могут быть проводящими и могут быть использованы как положительный и отрицательный электроды. Участок 256 может быть изолирован от подложки 264 при помощи изолятора 266. После приложения разности потенциалов между подложкой (или между удаленным противоэлектродом) и участком 254, частицы 260 могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать участок 256 в большей степени, чем участок 254. Тип взаимодействия участков 254 и/или 256 с частицами 260 будет зависеть, например, от специфического типа частиц и от материалов, использованных для образования участков 254 и 256. Это взаимодействие может вызывать изгиб преобразователя 252 в результате разностного механического напряжения между участками 254 и 256.
Структуры, такие как системы 200 и 250 преобразователей, могут быть изготовлены при помощи различных методов, в том числе при помощи методов MEMS, различных способов осаждения тонких пленочных структур, технологии образования толстых пленок, методов осаждения электродов и физической сборки и ламинирования. Могут быть также использованы и другие подходящие методики изготовления, знакомые специалистам в данной области.
Как это показано в варианте на фиг.6, система 270 преобразователя содержит электрод 272, имеющий электрическую связь с преобразователем 276, который может быть образован в виде единого целого с подложкой 274 (или соединен с ней). Преобразователь 276 может иметь однородную композицию; однако участок 280 может быть открыт для воздействия частиц 282 в большей степени, чем участок 284 преобразователя. Различное воздействие (например, различные площади воздействия) частиц могут вызывать интеркалирование, деинтеркалирование, легирование, окисление, восстановление или плакирование участка 280 в иной степени, чем участка 284. Это может вызвать перемещение преобразователя, например, в направлении стрелок 222 и 224.
В некоторых вариантах, преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут быть сконструированы и расположены с возможностью использования в физиологической установке, например внутри тела. Например, в соответствии с некоторыми вариантами настоящего изобретения предлагаются электрохимические преобразователи для введения лекарственного средства в тело, причем каждый такой преобразователь содержит по меньшей мере один отрицательный электрод, по меньшей мере один положительный электрод и описанные выше частицы, причем к электрохимическому преобразователю могут быть приложены напряжение или ток, при этом приложение напряжения или тока или его прекращение предусматривает интеркалирование частиц по меньшей мере в один электрод электрохимического преобразователя, что приводит к изменению объема или размеров электрохимического преобразователя. В некоторых случаях, изменение объема или размеров могут быть использованы для введения в тело лекарственного средства или флюида, который содержит лекарственное средство, например, при помощи методов дозирования или вливания, а также других подходящих методов, как это описано далее более подробно.
В некоторых случаях, преобразователь может быть погружен в телесную жидкость (например, в кровь, мочу, пот и т.п.), которая содержит частицы, которые могут интеркалировать участок электрода преобразователя. За счет интеркалирования, электрод может испытывать перемещение из первой ориентации во вторую ориентацию. В других вариантах, частицы могут деинтеркалировать из участка электрода в тело после воздействия телесной жидкости. В некоторых случаях, частицы могут окислять или восстанавливать участок электрода после воздействия телесной жидкости, что может приводить к перемещению. В других случаях, преобразователь может быть расположен вне тела, например, на преобразователь может воздействовать телесная жидкость, извлеченная из тела.
На фиг.7 показан пояснительный пример преобразователя, который может быть использован в физиологической установке. Преобразователь 290 содержит положительный электрод 292, отрицательный электрод 294 и изолятор 296, расположенный между двумя электродами. Преобразователь 290 может быть погружен в телесную жидкость 298, которая содержит частицы 299, которые могут интеркалировать один электрод или деинтеркалировать его в большей степени, чем другой электрод, например, при приложении напряжения или тока. Это может вызывать перемещение преобразователя из первой ориентации во вторую ориентацию. Различные виды перемещения преобразователя могут быть достигнуты в зависимости от механической конструкции преобразователя. Например, преобразователь может иметь форму бруса, гармошки, стента, диска или многослойной структуры. Могут быть использованы и другие формы и конструкции преобразователей, позволяющие осуществлять расширение, сжатие, сгибание, скручивание, изгибание, свертывание и т.п. структуры из первой ориентации во вторую ориентацию. В некоторых вариантах, преобразователь может иметь форму медицинского имплантата или компонента имплантата, такого как эндопротез сосуда (стент), датчик, протез и т.п.
В другом варианте в соответствии с настоящим изобретением, система преобразователя содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод, положительный электрод и частицы, которые могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать первый участок электрохимического элемента в иной степени, чем второй участок электрохимического элемента. В результате одного из взаимодействий указанных выше частиц с первым и/или со вторым участками, первый и/или второй участки могут испытывать изменение размеров при разрядке, вызывающее перемещение преобразователя, которое выполняет механическую работу. В некоторых вариантах, электрохимический элемент сконструирован и расположен с возможностью зарядки при изготовлении и разрядки во время использования. В некоторых вариантах, электрохимический элемент сконструирован и расположен с возможностью зарядки при изготовлении и частичной разрядки во время использования или без дополнительной зарядки после первой разрядки. Система преобразователя может быть сконструирована и расположена с возможностью самопроизвольного разряда. В некоторых случаях, преобразователь может разряжаться один или несколько раз в различные моменты, чтобы вызывать несколько воздействий. После разрядки (например, после частичной разрядки или полной разрядки), преобразователь может быть выброшен. Такая конфигурация может быть полезной для портативных устройств, таких как некоторые насосы, датчики, имплантаты и медицинские устройства.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается инфузионный насос для введения флюида в тело. Инфузионный насос содержит по меньшей мере один электрохимический элемент, который содержит отрицательный электрод, положительный электрод и частицы, причем отрицательный электрод и/или положительный электрод претерпевает изменение размеров при зарядке и/или разрядке, за счет чего происходит введение флюида в тело. Альтернативно, инфузионный насос может не иметь частиц при изготовлении, однако, после воздействия частиц во время использования, инфузионный насос может срабатывать и вводить флюид. В соответствии с некоторыми вариантами, инфузионный насос сконструирован и расположен с возможностью самопроизвольной разрядки. Такое устройство имеет собственный (автономный) источник питания, что означает, что электрохимический элемент устройства изготовлен в заряженном состоянии. Устройство может иметь положительный и отрицательный электроды, изготовленные из таких материалов, что электрохимический элемент расширяется или деформируется при разрядке. Например, дешевые материалы, такие как кремний и олово, могут быть использованы как расширяющиеся материалы (например, с расширением до 300%) после введения лития.
Степень подачи флюида, в том числе величина выпускаемого объема и длительность подачи, может зависеть от скорости расширения или деформирования электрохимического элемента, управление которой, в свою очередь, производят за счет изменения скорости разряда электрохимического элемента. Управление скоростью разряда можно производить различными методами, в том числе путем изменения сопротивления цепи внешней нагрузки, через которую разряжается электрохимический элемент. Внешним элементом управления может быть, например, резистор, содержащий проволоку или тонкую металлическую пленку, который также может быть использован как плавкий предохранитель. Это может быть использовано для осуществления контролируемого саморазряда электрохимического элемента через резистор или через цепь внешней нагрузки. В специфическом варианте, переменный резистор может быть введен во внешнюю цепь, которая может содержать твердотельную схему, чтобы регулировать скорость разряда и скорость подачи. Мгновенную скорость разряда и скорость срабатывания устройства можно регулировать за счет изменения сопротивления внешнего резистора.
В другом варианте, можно изменять рабочий цикл устройства, чтобы регулировать величину или степень перемещения или нагнетания. В этом варианте, цепь внешней нагрузки, через которую устройство разряжается или заряжается, может повторно переключаться между замкнутым и разомкнутым состояниями. Таким образом, можно управлять рабочим циклом за счет размыкания и/или замыкания цепи внешней нагрузки, соединенной с преобразовательным устройством. Частота и длительность импульсов переключения цепи внешней нагрузки позволяют регулировать скорость перемещения и полное перемещение. Например, если устройство в условиях короткого замыкания цепи внешней нагрузки имеет полный разряд в момент времени t, что приводит к полному механическому напряжению ε, то такое переключение между разомкнутым и замкнутым состояниями цепи внешней нагрузки, когда полное время нахождения в замкнутом состоянии составляет t/10 и соответствует 10% рабочего цикла, дает чистое механическое напряжение ε/10. В тех вариантах, в которых длительность импульса замкнутого состояния является постоянной, скорость деформации можно регулировать за счет изменения частоты импульсов. Можно также независимо регулировать частоту импульсов и длительность импульсов, чтобы создавать нелинейности в характеристике перемещения в зависимости от времени устройства, для того чтобы обеспечивать желательный профиль перемещения в зависимости от времени преобразователя или насоса.
В других вариантах, скорость разряда (например, скорость самопроизвольного разряда) может быть задана в самом электрохимическом элементе. В соответствии с одним специфическим вариантом, создают внутренний импеданс электрохимического элемента, с использованием методов, знакомых специалистам в области электрохимических устройств или батарей, чтобы обеспечивать желательную скорость разряда. В условиях внешнего короткого замыкания или в тех условиях, когда сопротивление между внешними выводами электрохимического элемента существенно меньше, чем внутренний импеданс электрохимического элемента, скорость разряда и, следовательно, скорость срабатывания в первую очередь определяется внутренним импедансом электрохимического элемента. Например, электрохимический элемент может быть спроектирован на заданную максимальную скорость разряда, а более низкие скорости получают при помощи описанных здесь методов регулирования, или может быть спроектирован с относительно высоким внутренним импедансом, обеспечивающим безопасную, низкую скорость разряда даже при случайном внешнем коротком замыкании.
Скорость и/или величина деформации устройства (и соответствующая скорость и/или величина нагнетания насоса, управляемого при помощи такого устройства) может быть задана в устройстве, таком как, например, одноразовый насос, за счет задания постоянной скорости, времени и/или объема. Альтернативно или дополнительно, устройство может быть сконструировано с возможностью регулирования, так что скорость и/или степень разряда/нагнетания можно изменять во время использования устройства или задавать во время одной из множества различных регулировок ранее использования устройства. В некоторых случаях, когда устройство может быть использовано несколько раз, скорость и/или степень разряда/нагнетания можно изменять в соответствии с конкретным видом использования или во время использования. Специалисты в данной области способны спроектировать, с использованием цифровых или аналоговых схем или их комбинации, системы, имеющие любые из указанных характеристик.
За счет использования указанных и/или других средств, скорость нагнетания можно изменять в широких пределах за счет регулирования скорости разряда электрохимического элемента. В некоторых вариантах, скорость разряда можно регулировать дистанционно, например при помощи радиосвязи, посылая сигналы на схему управления, которая регулирует рабочий цикл или сопротивление внешней нагрузки. Насос при необходимости может выпускать (подавать) различные объемы флюидов, например больше чем 0.01 мл, больше чем 0.1 мл, больше чем 1 мл, больше чем 5 мл, больше чем 10 мл или больше чем 50 мл.
Преобразователи в соответствии с настоящим изобретением, выполненные в виде насоса, могут быть использованы (но без ограничения) в таких применениях, как подкожное введение лекарственных средств или флюидов, внутривенный, интратекальный и другие обычные методы введения лекарственных средств и флюидов в тело, освежители воздуха или дозаторы духов, а также имплантируемые устройства для доставки лекарственных средств.
2
2
2
-
Например, хорошо известно, что когда биметаллическую пару погружают в электролит, один элемент этой пары образует анод, который преимущественно не окисляется, в то время как другой элемент преимущественно окисляется. Примером такого применения является анодная защита железа и стали цинком. В пояснительном варианте на фиг.8А показан первый участок 302 и второй участок 304, причем первый и второй участки образованы из различных материалов. На фиг.8В показана эта структура после погружения в воду. Теперь эта структура содержит слой 306. Если первый участок содержит Fe, а второй участок содержит Zn, то за счет воздействия воды образуется участок 306, который содержит Zn(OH). Реакция у участка 302 соответствует уравнению 2Н*+2е=H(g), а реакция у участка 306 соответствует уравнению Zn+2(ОН)=Zn(OH)+2е.
2
2
2
-
Как это показано на фиг.9А и 9В, преобразователь 310 содержит первый участок 312 и второй участок 314. Если первый участок образован из Fe, а второй участок 314 образован из Zn в виде тонких слоев, то после преобразования Zn в Zn(OH), объемное расширение во время образования Zn(OH) (например, Zn+2(ОН)=Zn(OH)+2е) будет приводить к самопроизвольному срабатыванию, создающему перемещение в виде изгиба, как это показано на фиг.9В. Это самопроизвольное срабатывание в преобразователях в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано для выполнения механической работы.
-
2
Как это показано на фиг.10А и 10В, если первый участок 320 образован из Zn, a второй участок 322 образован из Fe, то после преобразования Zn (например, Zn+2(ОН)=Zn(OH)+2е), структура 318 будет открываться, как это показано на фиг.10В. Этот тип срабатывания может быть использован в таких структурах, как эндопротез сосуда, расширяющийся диск для создания сжимающего напряжения между позвонками, или в других структурах. Аналогичные типы срабатывания могут быть осуществлены с использованием частиц, в устройствах, которые просто разбухают за счет преимущественного поглощения ионов или молекулярных частиц из флюида.
Специалисты в данной области способны выбрать и другие биметаллические пары, которые подходят для использования в соответствии с настоящим изобретением.
Желательно избежать значительного выделения газа в теле. Для некоторых применений также желательно иметь гибкие, но прочные материалы, которые испытывают постоянную пластическую деформацию. В некоторых вариантах, может быть желательно использовать преобразователь, который самопроизвольно разряжается, когда положительный и отрицательный материалы образуют короткое замыкание при соединении друг с другом и при погружении в электролит, содержащий частицы, которые могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать по меньшей мере участок преобразователя.
0.5
2
x
5
12
х
3+
На фиг.11А и 11В показана литиевая ионная пара (например, один участок которой содержит LiCoO, а другой участок которой содержит LiTiO, где х>4), собранная в заряженном состоянии, которая претерпевает самопроизвольный разряд при погружении в электролит. (Альтернативно литиевой ионной паре, преобразователем может быть пара металлический никель-гибрид (например, один участок которой содержит NiOOH, а другой участок которой содержит МН, где М представляет собой металл), собранная в заряженном состоянии, которая претерпевает самопроизвольный разряд при погружении в электролит.) На фиг.11А показан преобразователь при нулевом механическом напряжении ранее воздействия электролита, а на фиг.11В показан преобразователь после воздействия электролита. При разряде, первый участок преобразователя расширяется до большего объема, чем второй участок преобразователя, что приводит к изгибу (укорочению) преобразователя. Таким образом, самопроизвольный разряд при введении преобразователя в электролит может вызывать срабатывание.
На фиг.12А и 12В показана литиевая ионная пара или пара металлический никель-гибрид, собранная в заряженном состоянии (фиг.12А), которая претерпевает самопроизвольный разряд при погружении в электролит (фиг.12В). Преобразователь расширяется (распрямляется) при самопроизвольном разряде.
Материалы различных типов могут быть использованы в преобразователях в соответствии с настоящим изобретением. Например, металлический титан может быть использован как материал электрода, когда частицы представляют собой водород, так как металлический титан хорошо поглощает водород. Другими подходящими материалами, которые хорошо поглощают водород, являются благородные металлы. Кроме того, Pt, Rh, It и Au являются гибкими и прочными металлами, которые могут быть использованы как материалы электрода. В соответствии с одним специфическим вариантом, самопроизвольно открывающийся (развертывающийся) эндопротез сосуда (или другая конструкция преобразователя) может быть изготовлен за счет соединения, например, гидратного металла с негидратным металлом, так что, при воздействии электролита, перенос водорода из одного металла в другой вызывает перемещение преобразователя. В этом специфическом подходе с успехом может быть использован диффузионный барьер между двумя металлами, что широко применяют в технологии полупроводниковых устройств, чтобы избежать диффузии водорода между двумя металлами, вызывающей срабатывание ранее погружения в электролит, как это показано на фиг.13 и 14. На фиг.13 показана система преобразователя, которая содержит два различных участка, изготовленных соответственно из разных материалов (например, металлов), и, при необходимости, содержит диффузионный барьер, расположенный между указанными участками, до воздействия электролита (фиг.13А) и после воздействия электролита (фиг.13B), причем система претерпевает изгиб или придание формы чаши. Аналогично, на фиг.14 показана система преобразователя, которая содержит два различных участка, изготовленных соответственно из разных материалов (например, металлов), и, при необходимости, содержит диффузионный барьер, расположенный между указанными участками, до воздействия электролита (фиг.14А) и после воздействия электролита (фиг.14B), причем система претерпевает изгиб или открывание структуры. В некоторых вариантах, иридий представляет собой привлекательный металл за счет своей биосовместимости и может быть использован для образования по меньшей мере участка преобразователя.
В другом варианте, преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут иметь шарнирные структуры, например, как это показано на фиг.15А и 15В, Преобразователь может иметь первый участок 342, который частицы преимущественно могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать, и второй участок 344, который частицы преимущественно не могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать. В некоторых случаях, второй участок 346 и третий участок 348 образованы из одного и того же материала. При воздействии на преобразователь первых частиц, частицы могут интеркалировать, деинтеркалировать, легировать, окислять, восстанавливать или плакировать первый участок в иной степени, чем второй и/или третий участок, что вызывает перемещение (например, расширение) преобразователя, как это показано на фиг.15В. При необходимости, второй участок 346 и третий участок 348 могут быть образованы из разных материалов, и после воздействия вторых частиц преобразователь может перемещаться из первой ориентации во вторую ориентацию.
Преобразователи в соответствии с настоящим изобретением содержат первый участок и второй участок, причем, при зарядке и/или разрядке, частицы интеркалируют, деинтеркалируют, легируют, окисляют или плакируют первый участок в иной степени, чем второй участок, в результате чего первый участок испытывает результирующее изменение размеров относительно второго участка, что может быть использовано в различных применениях. Следует иметь в виду, что преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут иметь конфигурации, формы и/или конструкции, которые отличаются от описанных здесь выше. Примеры таких конфигураций, формы и конструкций приведены в патентах США Nos. 6,545,384; 5,907,211; 5,954,079; 5,866,971; 5,671,905 и 5,747,915, которые включены в данное описание в качестве ссылки.
Далее обсуждаются конструкции электрохимических преобразователей с низким напряжением и высоким сроком службы. В некоторых вариантах, к конструкции электрохимических преобразователей с низким напряжением и высоким сроком службы предъявляются определенные рабочие критерии. В соответствии с одним из вариантов, предлагается способ организации работы электрохимического элемента, который содержит отрицательный электрод, положительный электрод, неводный электролит и литий в качестве частиц (например, частиц интеркалирования). Электрохимический элемент может работать так, что положительный электрод имеет средний равновесный потенциал (или напряжение холостого хода) относительно металлического лития выше состояния заряда при его использовании, который составляет ориентировочно меньше чем +4 В. Отрицательный электрод может иметь средний равновесный потенциал относительно металлического лития выше состояния заряда при его использовании, который составляет ориентировочно больше чем +0.2 В. Электрохимический элемент может иметь рабочую связь с компонентом, который может быть перемещен из первой ориентации во вторую ориентацию. Срабатывание электрохимического элемента может вызвать изменение объема или размеров электрохимического элемента. При приложении напряжения ориентировочно меньше чем 10 В к электрохимическому элементу, компонент может быть перемещен из первой ориентации во вторую ориентацию, за счет изменения объема или размеров электрохимического элемента.
Как это описано далее более подробно, слишком высокий потенциал положительного электрода может приводить к электрохимической коррозии токосъемника и/или активных материалов у положительного электрода. В некоторых случаях, слишком высокий потенциал может также вызывать разложение неводных электролитов или солей, что может приводить к снижению проводимости электролита и/или к нежелательным побочным эффектам внутри электрохимического элемента. Как таковые, некоторые электрохимические элементы в соответствии с настоящим изобретением могут работать при среднем равновесном потенциале выше состояния заряда электрохимического элемента, который составляет ориентировочно меньше чем +4 В, ориентировочно меньше чем +3.5 В, ориентировочно меньше чем +3.0 В или ориентировочно меньше чем +2.5 В.
Как это также описано далее более подробно, слишком низкий средний равновесный потенциал (например, относительно металлического лития выше состояния заряда при его использовании) может создавать отрицательные воздействия, такие как электрохимическая коррозия токосъемника отрицательного электрода или осаждение металлического лития. Соответственно, электрохимический элемент должен работать так, чтобы отрицательный электрод имел средний равновесный потенциал ориентировочно больше чем +0.2 В, ориентировочно больше чем +0.5 В, ориентировочно больше чем +1.0 В или ориентировочно больше чем +1.5 В. Максимальный и минимальный диапазон равновесного потенциала положительного и отрицательного электродов может быть выбран в зависимости от конструкции конкретного электрохимического элемента. Например, в одном из вариантов, положительный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно меньше чем +3.5 В, а отрицательный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно больше чем +0.5 В. В другом варианте, положительный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно меньше чем +3,5 В, а отрицательный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно больше чем +1.0 В. В соответствии с еще одним вариантом, положительный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно меньше чем +3.5 В, а отрицательный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно больше чем +1.5 В. В соответствии с еще одним вариантом, положительный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно меньше чем +3.0 В, а отрицательный электрод имеет средний равновесный потенциал ориентировочно больше чем +0.5 В. Само собой разумеется, что могут быть выбраны и другие диапазоны среднего равновесного потенциала для положительного и отрицательного электродов.
В соответствии с некоторыми вариантами, для нормальной работы электрохимического элемента к нему необходимо прикладывать напряжение ориентировочно меньше чем 10 В, чтобы вызвать изменение объема или размеров электрохимического элемента, позволяющее переместить компонент из первой ориентации во вторую ориентацию. Как это описано далее более подробно, приложенное напряжение (то есть рабочее напряжение) обычно является низким, чтобы повысить долговечность при циклическом нагружении электрохимического преобразователя. Соответственно, для срабатывания электрохимического элемента следует приложить напряжение ориентировочно меньше чем 10 В, ориентировочно меньше чем 8 В, ориентировочно меньше чем 7.5 В, ориентировочно меньше чем 6 В, ориентировочно меньше чем 5 В или ориентировочно меньше чем 4 В. Однако следует иметь в виду, что в течение коротких промежутков времени, когда требуется высокая мощность, мгновенное приложенное напряжение может быть выше, чем установившееся приложенное напряжение.
Соответственно, в течение времени больше чем 95% эксплуатационной наработки, электрохимический элемент может работать с приложенным напряжением ориентировочно меньше чем 10 В, ориентировочно меньше чем 8 В, ориентировочно меньше чем 7.5 В, ориентировочно меньше чем 6 В, ориентировочно меньше чем 5 В или ориентировочно меньше чем 4 В. В других случаях, электрохимический элемент может работать с такими напряжениями в течение времени больше чем 90%, больше чем 80%, больше чем 70%, больше чем 60% или больше чем 50% эксплуатационной наработки электрохимического элемента.
Далее обсуждаются конструкции электрохимических преобразователей с низким напряжением и высоким сроком службы применительно к литиевым электрохимическим элементам с неводным электролитом. Однако следует иметь в виду, что эти принципы также могут быть использованы в любом электрохимическом элементе, использованном как преобразователь.
2
4
Получение движущей силы для переноса частиц, в том числе ионных частиц, в электрохимическом элементе, использованном как преобразователь, может потребовать перенапряжения (при зарядке) или недонапряжения (при разрядке), причем в этом случае речь идет о величине приложенного напряжения выше и ниже состояния равновесия или покоя или выше и ниже напряжения холостого хода электрохимического элемента при специфическом состоянии заряда. Напряжение холостого хода как функция состояния заряда легко может быть определено специалистами в данной области, если известен потенциал относительно концентрации каждого компонента и если известны такие параметры электрохимического элемента, как отношение материала катода к материалу анода и степень необратимой потери ионных частиц во время цикла. Например, электрохимические элементы LiСоО-графит могут иметь напряжение холостого хода, которое непрерывно изменяется при состоянии заряда ориентировочно между 3.9 и 3 В, в то время как электрохимические элементы LiFеРO-графит имеют почти постоянное напряжение около 3.3 В при широком состоянии заряда.
Для получения высокой скорости срабатывания, может быть желательно иметь высокое перенапряжение при зарядке и высокое недонапряжение при разрядке. С другой стороны, также хорошо известно, что диапазон потенциалов, приложенных к электрохимическому элементу, по различным причинам может влиять на характеристики и срок службы электрохимического элемента, особенно при множестве циклов зарядки/разрядки. Известно, что на верхнем конце диапазона рабочих напряжений, слишком высокий потенциал может вызывать электрохимическую коррозию токосъемника (такого как алюминий) положительного электрода или активных материалов у положительного электрода или разложение неводных электролитов или солей. Это может приводить к потери проводимости электролита или к нежелательным побочным эффектам, таким как образование газа внутри электрохимического элемента. На нижнем конце диапазона рабочих напряжений, слишком низкий потенциал может вызывать электрохимическую коррозию токосъемника (такого как медь) отрицательного электрода или осаждение металлического лития, причем последнее происходит если потенциал у отрицательного электрода становится таким, при котором металлический литий является стабильным. Таким образом, для достижения высокой скорости срабатывания, а также стабильности и высокого срока службы неводного литиевого электрохимического элемента, использованного для приведения в действие, желательно иметь относительно низкое напряжение холостого хода, так чтобы высокое перенапряжение можно было приложить во время зарядки, не доходя до пределов стабильности системы электролита или положительного токосъемника. Однако понижение напряжения холостого хода не должно быть чрезмерным, так как, в противном случае, высокое недонапряжение, приложенное при разрядке, может доходить до потенциалов, при которых растворяются анодные токосъемники (такие как медь) или при которых может происходить плакирование металлическим литием. Выбор активных материалов для положительного и отрицательного электродов, отвечающих этим критериям, является важным, так как может быть желательно создать высокую энергию и мощность срабатывания в электрохимических элементах в соответствии с настоящим изобретением.
4
2
2
x
2
4
5
12
В некоторых вариантах, желательно иметь материал положительного электрода, который позволяет обеспечивать как высокую скорость срабатывания, так и высокое механическое напряжение, и напряжение холостого хода, измеренное относительно металлического лития, составляющее ориентировочно меньше чем 4 В. В других вариантах, напряжение холостого хода, измеренное относительно металлического лития, составляет ориентировочно меньше чем 3.5 В, ориентировочно меньше чем 3 В или ориентировочно меньше чем 2.5 В. В качестве неограничительных примеров материалов такого положительного электрода можно привести электродные составы, основанные на LiFePO, TiS, TaS, и их сплавы и композиционно модифицированные формы. В некоторых случаях, электрохимические элементы содержат материалы отрицательного электрода с высокой мощностью и также с напряжением холостого хода в диапазоне композиций, составляющем по меньшей мере +0.1 В относительно металлического лития. В других случаях, напряжение холостого хода составляет по меньшей мере +0.5 В или больше. Например, графит может быть подходящим материалом, когда его используют с материалом положительного электрода в случае значительного чистого механического напряжения. Другой подходящий материал представляет собой шпинель LiTiO, например исходную композицию LiTiO, которая после литирования имеет почти постоянный потенциал около 1.57 В относительно металлического лития, в широком диапазоне композиций лития и почти при нулевом изменении объема. Таким образом, это может позволить использовать изменение объема у положительного электрода для приведения в действие. В некоторых вариантах, электрохимические элементы, основанные на таких комбинациях материалов положительного и отрицательного электродов, имеют напряжение холостого хода типично ориентировочно меньше чем 3.5 В. Само собой разумеется, что можно иметь напряжение электрохимического элемента, которое изменяется между положительным и отрицательным значениями, когда электрохимический элемент заряжается или разряжается, однако при полном поддержании описанных здесь выше условий для потенциала положительного электрода, который не должен быть слишком высоким, и для потенциала отрицательного электрода, который не должен быть слишком низким, относительно металлического лития.
4
2
2
Когда такой электрохимический элемент используют для электрохимического приведения в действие, приложенные перенапряжение и недонапряжение могут приводить к тому, что напряжение зарядки будет выше, а напряжение разрядки будет ниже напряжения холостого хода электрохимического элемента. Однако, обычно, абсолютное значение рабочего напряжения электрохимического элемента остается низким. Например, абсолютное значение рабочего напряжения может составлять ориентировочно меньше чем 10 В, меньше чем 7.5 В, меньше чем 5 В или ориентировочно меньше чем 3.5 В. Следует иметь в виду, что для срабатывания с высокой мощностью в течение короткого промежутка времени, приложенное напряжение должно быть импульсным, причем оно может быть безопасным при значительно более высоких уровнях, чем постоянное напряжение, которое обычно приводит к повреждению таких электрохимических элементов. Однако для работы электрохимических элементов в условиях, когда поддерживают напряжение электрохимического элемента, чтобы получить высокий срок службы, приложенное напряжение должно создавать потенциал на положительном электроде, который составляет ориентировочно меньше чем 5 В, ориентировочно меньше чем 4.5 В или ориентировочно меньше чем 4 В, относительно металлического лития. Это может быть осуществлено за счет использования материалов положительного электрода на базе таких соединений, как LiFePO, LiTiS и LiTaS.
2
Теперь будут описаны критерии выбора соединений для получения высокой плотности механической энергии и высокой мощности электрохимического приведения в действие. Теоретическая плотность механической энергии соединений для приведения в действие соответствует выражению ½ Еε, в котором Е представляет собой модуль упругости, а ε представляет собой механическое напряжение, которое может быть создано при определенных рабочих условиях. Таким образом, материалы с высоким механическим напряжением и высоким модулем упругости позволяют получить высокую плотность энергии в электрохимических элементах в соответствии с настоящим изобретением.
x
2
x
2
Что касается электрохимических преобразователей, то было обнаружено, что полученное механическое напряжение не обязательно линейно связано с концентрацией интеркалирующих или легирующих частиц в электрохимическом элементе. Например, в графике механического напряжения в функции концентрации Li интеркалирующего соединения LiTiS, наклон кривой является самым крутым при низких концентрациях, как это описано в патенте США No. 11,796,138, который включен в данное описание в качестве ссылки. Таким образом, если используют LiTiS в качестве соединения для электрохимического приведения в действие, то желательно работать в диапазоне х ориентировочно от .0 до 0.4, если хотят получить наибольшую механическую энергию при данной электрической энергии, использованной для работы преобразователя, и/или если хотят получить наибольшую механическую мощность от преобразователя. Последнее следует из того, что количество интеркалированных частиц х является произведением электрического тока на время, так что, при конкретном рабочем токе, более быстрое срабатывание получают для соединений с более высоким механическим напряжением для данного значения х.
Известно также, что механическая мощность электрохимического преобразователя может зависеть от скорости (например, от скорости заряда или разряда) электрохимического элемента. Высокая скорость может быть получена за счет выбора электролитов с высокой ионной проводимостью и/или за счет такого проектирования электрохимических элементов, что диффузионная длина иона или электрона является короткой. Для электрода на базе частиц, например, мелкий размер частиц может быть желательным, чтобы получить меньшую диффузионную длину и, соответственно, меньшее время диффузии.
2
2
2
Таким образом, критерий выбора свойств переноса материалов также является важным для проектирования электрохимических преобразователей. Например, может быть выбран высоким коэффициент химической диффузии ионных частиц, ответственный за изменение объема. В соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения, для сравнения различных материалов используют "коэффициент мощности", в соответствии с выражением ½ ЕεD, в котором D представляет собой коэффициент химической диффузии ионных частиц представляющего интерес материала. На фиг.4 проведено сравнение коэффициентов мощности различных материалов относительно их удельной массы ρ. Следует иметь в виду, что материалы с высоким коэффициентом мощности и с малой удельной массой, при прочих равных условиях, могут обеспечивать более высокую удельную мощность электрохимического преобразователя. Например, в соответствии с этими критериями, слоистые дихалькогениды, такие как TiS и TaS, могут быть особенно полезными соединениями для электрохимического приведения в действие.
2
2
2
2
Li
Li
2
2
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что для оценки приведения в действие также можно использовать плотность мощности, которая представляет собой механическую мощность на единицу объема, и удельную мощность, которая представляет собой механическую мощность на единицу массы. В большинстве применений приведения в действие желательно максимально увеличить эти величины. Следует иметь в виду, что плотность мощности электрохимического преобразователя зависит от диффузионной длины, которую ионные частицы проходят во время работы электрохимического преобразователя. Несмотря на то что длина переноса включает в себя длину (промежуток) между электродами, через пористость электрода и через сепаратор, время срабатывания не может быть меньше времени, необходимого для диффузионного переноса в самом материале. Таким образом, важными факторами являются как размер частиц (для преобразователя на базе частиц), так и коэффициент химической диффузии. Для сравнения материалов в идентичных условиях, предположим, что материалы имеют одинаковые размеры частиц, при этом плотность мощности может быть определена как ½ (EεD/x), а удельная мощность может быть определена как ½ (Еεхρ/D), где х представляет собой размер частиц (например, радиус или диаметр). На фиг.4 проведено сравнение плотности мощности различных материалов относительно их удельной массы, а на фиг.6 проведено сравнение плотности мощности относительно удельной массы различных материалов. Эти критерии выбора позволяют выбирать подходящие материалы для электрохимических преобразователей. Например, слоистые дихалькогениды, такие как TiS и TaS, могут быть особенно полезными соединениями для электрохимического приведения в действие.
В соответствии с одним из вариантов, в электрохимических преобразователях в соответствии с настоящим изобретением используют по меньшей мере два (например, первый и второй) электрохимических преобразователя, которые работают во взаимодействии, так что один заряжается (например, чтобы выполнить полезную механическую работу), а другой разряжается, или наоборот. Например, система или устройство могут иметь первый и второй электрохимические элементы, имеющие противоположную конфигурацию относительно друг друга, так что разряд первого электрохимического элемента приводит к заряду второго электрохимического элемента, а разряд второго электрохимического элемента приводит к заряду первого электрохимического элемента. Изделие также может иметь компонент, сконструированный и расположенный с возможностью перемещения из первой ориентации во вторую ориентацию, за счет заряда и/или разряда по меньшей мере одного из первого и второго электрохимических элементов. Само собой разумеется, что структура, содержащая два электрохимических элемента, имеющих противоположную конфигурацию относительно друг друга, может иметь множество таких наборов электрохимических элементов, например, больше чем 2, больше чем 5, больше чем 10, больше чем 20 или больше чем 50 пар электрохимических элементов, имеющих противоположную конфигурацию относительно друг друга. Такие электрохимические элементы могут работать последовательно или параллельно. Несмотря на то что уже известно использование пар противоположных преобразователей в активных структурах (по той причине, что большинство преобразователей работают лучше при растяжении, чем при сжатии), имеются дополнительные преимущества, связанные с использованием таких конструкций в электрохимических преобразователях в соответствии с настоящим изобретением. Электрохимические преобразователи хранят или выдают электрическую энергию одновременно с выполнением механической работы, и если такая электрическая энергия рассеивается (например, в виде теплоты за счет рассеивания электрической энергии через резистор), то потребление энергии преобразователем или системой преобразователей может быть большим. Однако, за счет распределения электрической энергии между преобразователями, так чтобы один из них заряжался, а другой разряжался, можно существенно сократить потребление электрической энергии. Другим преимуществом противодействующих электрохимических преобразователей, расположенных так, что один из них прикладывает усилие к другому, является то, что приложенное к преобразователям механическое напряжение можно регулировать за счет зарядки или разрядки одного или двух противоположных преобразователей. Например, такое построение позволяет управлять предварительным механическим напряжением в преобразователях, чтобы оптимизировать силу воздействия, ползучесть и/или упругую деформацию преобразователя. Еще одним преимуществом является повышение точности установки преобразователя, когда противоположные преобразователи могут быть независимо заряжены или разряжены.
Типичный электрохимический элемент содержит один электрод (например, анод), который расширяется, в то время как другой электрод (например, катод) сжимается во время зарядки, или наоборот, во время разрядки, чтобы уменьшить изменение объема в электрохимическом элементе. Это может быть предпочтительным для некоторых применений, так как малое изменение объема позволяет, например, уменьшить расслаивание некоторых слоев внутри электрохимического элемента. Однако, в некоторых вариантах в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительным является расширение обоих электродов во время зарядки или разрядки или отсутствие сжатия одного электрода при расширении другого электрода. Такие конфигурации преимущественно позволяют использовать максимум энергии для приведения в действие, вместо ее потери за счет противодействия другому электроду.
Таким образом, другой вариант содержит электрохимический элемент, который содержит анод и катод, которые сконструированы и расположены так, что во время цикла, в котором один из электродов расширяется по меньшей мере на 1% по объему, другой электрод главным образом не сжимается. В других вариантах, один из электродов расширяется по меньшей мере на 0.5% по объему, по меньшей мере на 2% по объему или по меньшей мере на 4% по объему, в то время как другой электрод главным образом не сжимается. Например, когда анод или катод расширяется, другой электрод может расширяться или не изменяться в объеме. Компонент может быть в рабочей связи с таким электрохимическим элементом, и этот компонент может быть перемещен из первой ориентации во вторую ориентацию за счет заряда и/или разряда электрохимического элемента. Это одновременное расширение анода и катода или расширение одного электрода при отсутствии сжатия другого электрода, может быть осуществлено за счет использования соответствующих материалов для анода и катода.
В некоторых случаях, электрод может самопроизвольно разряжать (выделять) частицы (например, литий), что вызывает расширение или сжатие электрода и/или перемещение одного или нескольких компонентов устройства из первой ориентации во вторую ориентацию. Электродные материалы с возможностью самопроизвольного разряда уже известны и преимущественно могут быть использованы в тех случаях, когда желательно иметь некоторое состояние по умолчанию устройства, например при преднамеренном или случайном коротком замыкании электрохимического элемента.
Материалы, которые подходят для использования в качестве электродов, включают в себя электрически активные материалы, такие как металлы, оксиды металлов, сульфиды металлов, нитриды металлов, металлические сплавы, интерметаллические соединения, другие содержащие металл соединения, другие неорганические соединения (например, углерод) и т.п. В некоторых случаях, электроды преимущественно могут содержать материалы, имеющие высокий модуль упругости. В некоторых случаях, материал может изменять объем или другие размеры при взаимодействии с частицами, как уже было указано здесь выше. В некоторых вариантах, электроды могут иметь материал, который имеет кристаллическую структуру, такой как монокристалл или поликристалл. В некоторых вариантах, электроды могут иметь аморфный или разупорядоченный материал.
4
5
12
2
4
2
2
2
4
4
5
12
2
2
2
2
2
2
2
4
В некоторых случаях, образующий анод материал содержит один или несколько элементов, выбранных из группы, в которую входят алюминий, серебро, золото, бор, висмут, галлий, германий, индий, свинец, сурьма, кремний и олово. В некоторых вариантах, образующий анод материал содержит LiTiO или любой его сплав или его присадочные композиции. В качестве примеров образующих катод материалов можно привести LiCoO, LiFePO, LiNiO, LiMnO, LiMnO, LiTiO, TiSi, MoSi, WSi, TiS или TaS или любой их сплав или их присадочные композиции. В некоторых случаях, образующий катод материал может иметь TiS или ТаS. В других вариантах, образующий катод материал может содержать LiMPO, где М представляет собой один или несколько переходных металлов первого ряда (first row) (например, Sc, Ti, В, Сr, Mn, Fe, Co, Ni, Сu или Zn) или любой их сплав или их присадочные композиции. В некоторых случаях, катод содержит углерод, причем углерод может иметь форму графита, структуры из углеродных волокон, стекловидной углеродной структуры, высокоориентированного пиролитического графита, разупорядоченной углеродной структуры или их комбинации. Электрохимический элемент, который содержит такие композиции материалов, может работать при указанном здесь выше потенциале катода, например меньше чем 44 В относительно потенциала металлического лития. Потенциал анода может быть выбран в соответствии с указанными здесь выше потенциалами, например больше чем +0.5 В потенциала металлического лития.
В некоторых случаях, образующий электрод материал может иметь диспергированные в нем частицы. Например, электрод может иметь такое количество частиц, что этот электрод может служить источником частиц в устройстве. В некоторых вариантах, подложка или другой компонент поддержки может взаимодействовать с частицами, чтобы вызывать изменение объема или размеров. Например, кремниевая пластина или другая металлическая или содержащая металл подложка может быть литирована так, что происходит изменение объема или размеров при заряде/разряде электрохимического элемента.
4
Материалы для использования в электродах в соответствии с настоящим изобретением могут быть выбраны так, чтобы они изменяли некоторые свойства при взаимодействии с частицами (например, при литировании и делитировании). Например, материалы могут быть выбраны так, чтобы происходило изменение объема или размеров определенного типа или величины (например, для приведения в действие), когда их используют в заявленном электрохимическом элементе. Специалисты в данной области способны выбрать такие материалы с использованием простых скрининг-тестов. В некоторых случаях, свойства и/или характеристики материала могут быть известны, и специалист в данной области может выбрать материалы для специфического применения, на основании, например, величины желательного объемного изменения. Например, известно, что реверсивное интеркалирование литием фосфо-оливинов Li(Fe,Mn)PO создает изменения объема 7.4-10%, в зависимости от отношения Fe/Mn, как это описано в публикации Yamada et al., J. Electrochem. Soc., 148, A224 (2001). В некоторых случаях, выбор материала можно производить путем встраивания материала в электрохимический элемент в качестве электрода и наблюдая поведение материала при заряде и разряде электрохимического элемента.
В некоторых случаях, материалы электрода могут быть выбраны на основании способности материала взаимодействовать с частицами. Например, когда частицей является литий, материал может быть выбран на основании его способности быстро и/или реверсивно принимать ионы лития (например, при литировании) и/или отдавать ионы лития (например, при делитировании) во время зарядки/разрядки. Кроме того, соответствующее механическое напряжение, связанное с реверсивным взаимодействием частиц с материалом, может быть определено, если известна скорость переноса ионов в материале. Такие определения могут быть сделаны экспериментально или теоретически, с использованием протабулированных или оцененных значений характеристик, таких как коэффициенты ионной диффузии, ионная и электронная проводимости и коэффициенты скорости поверхностной реакции. Специалисты в данной области способны использовать эту информацию для выбора соответствующих материалов для использования в качестве электродов.
Электроды могут быть изготовлены с использованием уже известных методов. В соответствии с одним из вариантов, материалы электрода могут быть отлиты из суспензий на базе порошков, содержащих полимерное связующее и/или проводящую добавку, такую как углерод. Суспензия может быть каландрирована (например, прокатана) под высоким давлением (например, несколько тонн на линейный дюйм), чтобы образовать хорошо уплотненные слои, имеющие желательный объемный процент активного материала.
Материалы, подходящие для использования в качестве электролита, включают в себя материалы, способные функционировать как среда для хранения и переноса ионов и, в некоторых случаях, как сепаратор между анодом и катодом. Может быть использован любой жидкий, твердый или гелиевый материал, способный хранить и переносить ионы, при условии, что этот материал является электрохимически и химически неактивным по отношению к аноду и катоду, причем этот материал облегчает перенос ионов (например, ионов лития) между анодом и катодом. Электролит может быть непроводящим для электронов, чтобы исключить возможность короткого замыкания между анодом и катодом.
Электролит может иметь одну или несколько ионных электролитных солей, чтобы обеспечить ионную проводимость, и один или несколько растворителей жидкого электролита, а также гелиевые полимерные материалы или полимерные материалы. В некоторых случаях, электролитом может быть неводный электролит. Подходящими неводными электролитами могут быть органические электролиты, в том числе жидкие электролиты, гелиевые электролиты и твердые электролиты. Примеры неводных электролитов описаны, например, в публикации Dorniney, Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 4, pp.137-165, Elsevier, Amsterdam (1994), и Alamgir et al., Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives, Chapter 3, pp.93-136, Elsevier, Amsterdam (1994). Примеры неводных жидких электролитных растворителей включают в себя (но без ограничения) такие неводные органические растворители, как, например, N-метил ацетамид, ацетонитрил, ацетали, кетали, сложные эфиры, карбонаты, сульфоны, сульфиты, сульфоланы, алифатические эфиры, циклические эфиры, глимы (glymes), простые полиэфиры, фосфатные эфиры, силоксаны, диоксоланы, N-алкилпирролидоны, их замещенные производные (например, их галогенированные производные), а также их комбинации.
В некоторых вариантах, электрохимические элементы могут дополнительно содержать барьерный или сепараторный материал (например, слой), расположенный внутри системы или устройства, например, между катодом и анодом. Сепаратором может быть материал, который разделяет или изолирует анод и катод друг от друга, предотвращая короткое замыкание, и который позволяет осуществлять перенос ионов между анодом и катодом. Материалы, подходящие для использования в качестве материалов сепаратора, включают в себя материалы, имеющие высокий модуль упругости и/или высокую жесткость, материалы, которые являются электронно изолирующими, и/или материалы, имеющие достаточно высокую механическую прочность, чтобы выдерживать высокое давление, вес и/или механическое напряжение (например, нагрузку) без потери функциональных возможностей. В некоторых случаях, слой сепаратора может быть пористым. В качестве примеров материалов сепаратора можно привести стекло, керамику, силикатную керамику, кордиерит, оксид алюминия, алюмосиликаты или другие смешанные оксиды, нитриды или карбиды металлов, которые являются электронно изолирующими. В некоторых случаях, слой сепаратора может иметь полимерный материал. Слои сепаратора, которые содержат, например, эластомерные материалы, могут быть использованы для обеспечения возможности сдвига между двумя или несколькими компонентами.
В соответствии с одним из вариантов, пористый материал сепаратора может быть отлит как слой порошка или суспензии на поверхностях одного или двух электродов ранее сборки слоев, с использованием методов, знакомых специалистам по обработке керамики или технологии нанесения покрытий, таких как напыление, покрытие с использованием ракеля, трафаретная печать, покрытие с использованием полотна (web), покрытие, наносимое реверсивным валиком (comma-reverse), или покрытие с использованием щелевого мундштука (slot-die).
Устройства в соответствии с настоящим изобретением могут дополнительно содержать добавочные компоненты для специфического применения. Например, устройства в соответствии с настоящим изобретением могут иметь источник питания, токосъемник, такой как токосъемник, который содержит проводящий материал, внешние слои упаковки, слои сепаратора и т.п. Слой упаковки может иметь электрохимически изоляционный материал или другой защитный материал.
Система или устройства могут быть подвергнуты предварительной обработке ранее использования в качестве преобразователя. Предварительная обработка устройств может повышать механические характеристики, жесткость, плотность энергии приведения в действие, механическое напряжение приведения в действие, реверсивность и/или срок службы устройств и/или может снижать ползучесть и гистерезис механического напряжения. В некоторых случаях, устройства или один или несколько их компонентов могут быть подвергнуты гидростатическому давлению и/или одноосному механическому напряжению, чтобы объединять материалы и/или компоненты устройства и/или чтобы уменьшать свободный объем. В некоторых вариантах, приложенное давление может составлять 10,000 psi (фунтов на квадратный дюйм), 20,000 psi, 30,000 psi, 45,000 psi или больше. Следует иметь в виду, что может быть использовано любое приложенное давление для предварительной обработки устройства, чтобы исключить внутреннее разрушение устройства и/или обеспечить улучшение характеристик устройства.
Далее приведены примеры для пояснения некоторых вариантов настоящего изобретения, которые не имеют ограничительного характера и не отражают полный объем настоящего изобретения.
ПРИМЕР 1
Электрохимический насос с автономным источником питания
В соответствии с этим примером, преобразователи в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы как электрохимические насосы с автономным источником питания, для инсулиновой терапии.
Клиническое лечение диабетиков типа 1 обычно проводят при помощи инсулиновой терапии, причем инъекции инсулина длительного и кратковременного действия проводят в комбинации, в соответствии с периодическими измерениями содержания глюкозы в крови. При лечении для введения инсулина используют инфузионный насос, причем непрерывное подкожное введение инсулина быстрого действия проводят через небольшой катетер при помощи насоса с микропроцессорным управлением. Некоторые существующие насосы могут непрерывно нагнетать инсулин быстрого действия и могут создавать возрастающие дозы до и после еды. Инфузионный комплект заменяют каждые три дня, так что эффективное число инъекций резко снижается при обычном режиме с множеством дневных инъекций. Исключительное использование инсулина быстрого действия обеспечивает намного лучшую предсказуемость дозирования, так как формы инсулина длительного действия работают за счет образования депо под кожей. Однако скорость освобождения инсулина из таких депо может существенно зависеть от таких факторов, как физическая активность. Электрохимические насосы с автономным источником питания могут решить проблемы пониженного эффективного числа инъекций и изменения скоростей освобождения инсулина.
Электрохимический насос с автономным источником питания может быть разработан с возможностью подачи 2.0 мл полезной нагрузки в течение времени 72 часа. На фиг.16 схематично показана конструкция электрохимического насоса 350 с автономным источником питания. Отрицательный электрод 355 является источником лития, в то время как положительный электрод 360 представляет собой расширяющийся элемент. Электрохимический элемент электрохимически сбалансирован так, что имеющийся в отрицательном электроде литий может расширять положительный электрод. Насос может быть разработан с возможностью 300% расширения объема положительного электрода, создающего продольное перемещение, аналогично поршню, для приложения силы к пластинке приведения в действие, которая, в свою очередь, прикладывает давление к резервуару 365, содержащему раствор инсулина. Вертикальное перемещение положительного электрода определяется его коэффициентом формы (отношением ширины к высоте, в данном случае 2:1) и изменением объема. Электролитом может быть стандартный неводный электролит для литиевой батареи. Упаковкой может быть полимерная упаковка, аналогичная той, которую в настоящее время используют для литиевых ионных аккумуляторных батарей. Скоростью подачи раствора инсулина преимущественно можно управлять за счет выбора соответствующих материалов, использованных для образования положительного электрода. Например, в случае электрохимического насоса, имеющего материал положительного электрода с относительно малой жесткостью, положительный электрод может медленно перемещаться в его новое положение равновесия после разряда. Это может приводить к медленному приложению силы к резервуару, за счет чего происходит медленное введение инсулина в тело.

2
Насос может иметь объем 8.6 мл, что позволяет иметь полный объем устройства <15 мл. Насос может иметь массу 14.5 г, что позволяет иметь полную массу устройства около 20 г. При соответствующем выборе материалов и электролита, такой насос позволяет подавать инсулин в течение 72 часов при базовой требуемой частоте инъекций. Для скорости болюса, которая соответствует скорости разряда электрохимического элемента около С/5 (то есть 5 часов разряда всей емкости электрохимического элемента), могут быть введены дополнительные конструктивные модификации. Дополнительно и/или альтернативно, насос может иметь аналогичные технические требования, что и существующие непрерывные инфузионные насосы. Например, инсулин быстрого действия, такой как продукт Lispro фирмы Lilly, поступает потребителям в виде раствора с концентрацией 100 единиц на мл. Типичные базовые уровни инсулина могут составлять от 0.5 до 1.5 единиц в час. Доза болюса для еды может содержать 1 единицу на 10 г потребленного карбогидрата, так что для еды может быть желательно иметь до 10 единиц. Фармакодинамика инсулина быстрого действия подсказывает, что доза будет доставлена в течение 15 минут. Можно видеть некоторую разницу с подкожной инъекцией такого же количества. Таким образом, пиковая скорость подачи соответствует объему 0.1 мл в течение 15 минут. Линейное сжатие резервуара, имеющего поперечное сечение 6.5 см, требует скорости максимального перемещения 0.015 см в течение 15 минут или 0.167 мкм в секунду. Полная дневная полезная нагрузка раствора инсулина составляет ориентировочно 50 единиц или 0.5 мл. Таким образом, три дневных подачи требуют объема полезной нагрузки 1.5 мл.
ПРИМЕР 2
Электрохимический преобразователь
6
6
В соответствии с этим примером, электрохимический преобразователь содержит биморфную структуру, которая имеет слой размерно-активного литиевого запоминающего материала, связанный со слоем меди. Слой меди главным образом не легирует или не интеркалирует литий, так что он является электрохимически стабильным при рабочих потенциалах электрохимического элемента. Эта биморфная структура образует положительный электрод электрохимического элемента. Медный слой также может действовать как токосъемник положительного электрода и может выходить наружу из готового герметизированного электрохимического элемента с образованием контактного столбика или токового вывода или может быть соединен с контактным столбиком или токовым выводом, который выходит наружу из электрохимического элемента. Отрицательный электрод содержит слой металлического лития, соединенный с медным слоем (или осажденным на нем), который служит в качестве токосъемника отрицательного электрода. Между двумя электродами расположен пористый пленочный сепаратор, например ткань из стекловолокон, или пористый полимерный сепаратор, такой как используют в конструкции литиевых ионных батарей. В слоистый электрохимический элемент вводят неводный, содержащий литий жидкий электролит, такой как обычно используют в литиевых первичных батареях, или в аккумуляторных батареях, или в неводных электрических конденсаторах с двойным слоем. В качестве примеров можно привести растворитель, который содержит смесь 1:1 по объему этилен карбоната и диэтилен карбоната, в которую добавлена 1 М концентрация LiPF в качестве проводящей литиевой соли, или ацетонитрил в качестве растворителя, к которому добавляют эту же соль LiРF.
Электрохимический преобразователь герметизируют в полимерной упаковке. После сборки, электрохимический элемент находится в заряженном состоянии, причем оловянный положительный электрод имеет более низкий химический потенциал для лития, чем отрицательный электрод из металлического лития. После соединения отрицательного и положительного токосъемников, так что электронный ток протекает между двумя электродами, ток ионов лития протекает внутри из лития в олово. Легирование олова литием приводит к расширению объема, которое может достигать почти 300%, когда олово насыщено литием. Когда слой олова увеличивается в объеме за счет легирования литием, медный слой, с которым он связан, создает механическое ограничение и биморфная структура претерпевает перемещение (например, изгиб). В отрицательном электроде потеря лития также может приводить к небольшому механическому напряжению, однако это механическое напряжение намного меньше, чем для положительного электрода, так как литий является очень пластичным при комнатной температуре. Таким образом, весь электрохимический элемент претерпевает изгиб за счет изменения объема слоя олова в электрохимическом преобразователе, который содержит положительный электрод. В свою очередь, изгиб электрохимического элемента прикладывает давление к резервуару, который содержит флюид с лекарственным средством и расположен рядом с преобразователем. Резервуар закрыт при помощи деформируемой крышки, такой как диафрагма. Приложенное давление побуждает лекарственное средство вытекать из резервуара.
ПРИМЕР 3
Электрохимический биморфный изгиб
В соответствии с этим прогнозирующим примером, биморфная структура, описанная в примере 2, изготовлена в форме полукруга или с U-образным изгибом, как это показано на фиг.3А-3С. Один конец такой структуры прикреплен к опоре или к корпусу дозирующего устройства, в то время как другой конец может свободно перемещаться при изгибе биморфной структуры. При разряде электрохимического элемента, за счет изгиба наружу, свободный конец прикладывает силу к содержащему лекарственное средство эластичному баллону, нагнетая лекарственное средство через отверстие или клапан из эластичного баллона.
ПРИМЕР 4
Преобразователь морфинга с автономным источником питания и с встроенным усилителем
В этом примере был изготовлен электрохимический элемент и была изучена его способность срабатывания при приложении напряжения или тока. Пористая таблетка была отпрессована из оловянного порошка -325 меш (содержание металла 99.8%, фирма Alfa Aesar) в пресс-форме диаметром ½ дюйма при приложении усилия 750 lbf (фунт-сила). Таблетка имеет вес 0.625 г и толщину 0.89 мм. Таблетку приварили к медной фольге толщиной 15 мкм с использованием припоя BiSnAg (Indium Corporation of America) и флюса #5RMA (Indium Corporation of America), за счет нагревания сборки в печи с естественной тягой при температуре 180°С в течение 30 минут. Эту электродную сборку использовали как положительный электрод в электрохимическом элементе, в то время как литиевую фольгу (толщиной около 0.8 мм, фирма Aldrich) использовали как отрицательный электрод.
6
Два слоя сепаратора Celgard 2400 были использованы для разделения оловянного положительного электрода и отрицательного электрода из литиевой фольги. Электрод из литиевой фольги был прикреплен к токосъемнику, изготовленному из медной фольги толщиной 15 мкм. Был использован жидкий электролит, содержащий 1.33 М LiРF, растворенный в смешанном растворителе из этиленкарбоната, пропиленкарбоната, диметилкарбоната и этилметилкарбоната (4:1:3:2 по объему). Электрохимический элемент был герметизирован в полиэтиленовом пакете с использованием машинки для термосварки. После сборки, напряжение холостого хода электрохимического элемента составляет 2.8-2.9 В, что показывает, что он находится в заряженном состоянии. При разряде напряжение электрохимического элемента быстро падает до относительно постоянного значения 0.5-0.4 В, что является характерным для электрохимической пары Sn-Li.
Электрохимический элемент разряжали через резистор 1 Ом, который подключали к положительному и отрицательному токосъемникам. При разряде электрохимического элемента измеряли перемещение нормально к плоскости оловянного диска и литиевой фольги, с использованием линейно-регулируемого дифференциального трансформатора (LVDT) фирмы Micro-Epsilon. Показания получали с использованием устройства сбора данных National Instruments NI-USB 6009, сопряженного с устройством Lab View (National Instruments). На фиг.17 для этого эксперимента показан график результирующего перемещения в функции времени.
После небольшого начального сжатия, вызванного деформацией лития и сепаратора за счет небольшого приложенного усилия LVDT, преобразователь расширяется на 1.8 мм при его разряде в течение 11 часов. Это абсолютное перемещение превосходит начальную толщину Sn таблетки ориентировочно в 2 раза. Осмотр разобранного после эксперимента преобразователя показал, что произошел разряд, с эрозией лития из отрицательного электрода и легированием оловянной таблетки с одной стороны. Легко можно увидеть, что перемещение преобразователя вызвано деформированием цилиндрической оловянной таблетки в форму чашки, выпуклая поверхность которой обращена к сепаратору и литиевому электроду. Таким образом, можно видеть, что морфинг оловянной таблетки был вызван созданием разностного механического напряжения через таблетку, с расширением стороны, обращенной к литиевому электроду. Механическое нагружение в направлении перемещения, нормально к плоскости таблетки после деформации, показывает, что таблетка выдерживает нагрузку более 1 кг, без разрушения деформированной таблетки. Таким образом, преобразователь имеет достаточную жесткость, что может быть полезно в таких применениях, как дозирование или нагнетание флюида из эластичного баллона, например, для доставки лекарственного средства, когда флюид может быть введен в тело через одну или несколько игл или микроигл. При установке преобразователя в соответствии с этим примером поблизости от наполненного флюидом эластичного баллона и герметизации совокупности в жестком контейнере, может быть получено устройство для доставки лекарственного средства.

2
Такое устройство для доставки лекарственного средства подходит, например, для доставки инсулина в течение трех дней (72 часов). Инсулин быстрого действия, такой как продукт Lispro фирмы Lilly, поступает потребителям в виде раствора с концентрацией 100 единиц на мл. Полная дневная полезная нагрузка раствора инсулина может составлять ориентировочно 50 единиц или 0.5 мл. Таким образом, три дневных подачи требуют, чтобы насос создавал полный объем около 2.0 мл. Например, преобразователь, описанный в этом примере, который создает перемещение больше чем 1.5 мм, при воздействии на резервуар площадью 13 см легко позволяет получить желательный объем 2.0 мл. Типичные базовые уровни инсулина могут составлять от 0.5 до 1.5 единиц в час. Доза болюса для еды может содержать 1 единицу на 10 г потребленного карбогидрата, так что для еды может быть желательно иметь до 10 единиц. Фармакодинамика инсулина быстрого действия подсказывает, что доза будет доставлена в течение 15 минут. Таким образом, пиковая скорость подачи соответствует 5% полного объема в течение 15 минут. Если принять, что перемещение 1.5 мм соответствует полной доставке полезной нагрузки 2 мл инсулина, то преобразователь в соответствии с этим примером полностью отвечает требованиям относительно скорости болюса. Для замедления скорости, чтобы соответствовать требованиям базальной скорости, можно увеличить сопротивление внешней нагрузки или произвести регулировку рабочего цикла, как это описано далее в примере 7.
x
2.5
2.5
2.5
4.4
3
-1
3
-1
3
-1
3
-1
3
3
-1
3
-1
В этом примере описаны электрохимический преобразователь и устройство для доставки лекарственного средства в соответствии с некоторьми вариантами настоящего изобретения, работающие за счет электрохимического приведения в действие, вызванного созданием разностного механического напряжения через электрод. Рассмотрение чистого изменения объема преобразователя во время разряда электрохимического элемента показывает, что полученное перемещение не коррелирует с чистым изменением объема, а в действительности противоположно по знаку чистому изменению объема электрохимического элемента. Сравнение парциального молярного объема лития в различных LiSn сплавах с молярным объемом чистого лития показывает, что чистый литий имеет больший молярный объем и поэтому разряд электрохимического элемента, в котором литий образует отрицательный электрод, приводит к чистому снижению объема. Например, LiSn, соединение с относительно низкой стехиометрией Li/Sn, имеет молярный объем 38.73 см моль. Так как чистое металлическое олово (Sn) имеет молярный объем 16.24 см моль, то разница, 22.49 см моль, представляет собой объем, занятый 2.5 моль Li в LiSn. Для сравнения, молярный объем чистого Li составляет 13.10 см моль, так что 2.5 моля металлического Li имеют объем 32.75 см. Таким образом, полный разряд электрохимического элемента, чтобы образовать LiSn на стороне положительного электрода, приводит к переносу 2.5 моль лития из Li электрода в Sn, что приводит к чистому снижению объема устройства. Аналогично, молярный объем Li в LiSn, которое представляет собой соединение с относительно низкой стехиометрией, составляет 42.01 см моль, так что 4.4 моль чистого металлического Li имеют объем 57.62 см моль. Разряд такого электрохимического элемента также приводит к чистому снижению объема устройства. Положительное перемещение или перемещение наружу, наблюдаемое в преобразователе в соответствии с этим примером, происходит вопреки отрицательному изменению объема при разряде. Изгиб или вид деформации "придание формы чаши" преобразователя усиливает деформацию, вызванную за счет разностного механического напряжения через таблетку.
ПРИМЕР 5
Гальваностатический разряд электрохимического преобразователя
4.4
В этом примере изучали гальваностатический разряд электрохимического элемента. Был изготовлен электрохимический элемент, аналогичный описанному в примере 4, причем проводящая медная липкая лента была использована вместо припоя для контакта между пористой оловянной таблеткой и медным токосъемником. Электрохимический элемент был гальваностатически разряжен (при постоянном токе разряда) с использованием аккумуляторного пробника типа Maccor 4300 (фирма Maccor). Оловянная таблетка весит 0.628 г и имеет толщину 1.06 мм. Теоретическая емкость таблетки составляет 624 мАч, при условии, что все олово литировано в соединение LiSn. После сборки, напряжение холостого хода электрохимического элемента составляет 2.8-2.9 В, что показывает его нахождение в заряженном состоянии. Электрохимический элемент был разряжен током 0.88 мА до 0.01 В. При этом разрядная емкость составляет 56.22 мАч, что показывает, что электрохимический элемент был разряжен только на 9% его теоретической разрядной емкости в течение времени разряда 63.6 часа. Однако было обнаружено, что Sn таблетка получила форму чашки аналогичным образом и с той же деформацией, как и в преобразователе в примере 1. Этот пример показывает возможность ограничения тока разряда электрохимического преобразователя, который может самопроизвольно разряжаться и срабатывать при коротком замыкании положительного и отрицательного выводов во внешней цепи.
ПРИМЕР 6
Электрохимические биморфные преобразователи
4.4
Биморфный электрод был изготовлен за счет маскирования одной стороны медной фольги толщиной 50 мкм и площадью 40 мм × 5 мм липкой лентой Kapton и за счет погружения фольги в расплавленное олово, чтобы покрыть другую сторону слоем олова. Ожидали, что после электрохимического литирования олова, ограничение, созданное медной фольгой, будет приводить к изгибу или "скручиванию" биморфной структуры, причем выпуклой стороной будет сторона литированного олова. Был собран электрохимический элемент, аналогичный использованному в примерах 4 и 5, в котором указанная биморфная структура образует положительный электрод, причем слой олова обращен к сепаратору, а литиевая фольга образует отрицательный электрод. После сборки, напряжение холостого хода электрохимического элемента составляет 2.8-2.9 В, что показывает его нахождение в заряженном состоянии. Электрохимический элемент был гальваностатически разряжен током 0.089 мА до 0.01 В. Разрядная емкость при этом составила 7.7 мАч, что составляет около 50% разряда оловянного слоя толщиной около 10 мкм при полном литировании композиции LiSn. После разряда, электрохимический элемент был разобран, и был обнаружен существенный изгиб олово-медного биморфного электрода на всех свободных кромках биморфной структуры, что свидетельствует об изменении формы.
6
В других экспериментах, каждый из образцов фольги из металлического олова толщиной 0.05 мм (99.999% чистого металла, фирма Alfa Aesar) и 0.10 мм (99.99% чистого металла, фирма Alfa Aesar) соединяли с медной фольгой толщиной 15 мкм, для образования биморфных электродов площадью 20 мм × 5 мм. Электрохимические элементы были сконструированы с использованием двух слоев сепаратора Celgard 2400, чтобы разделить друг от друга олово-медный биморфный положительный электрод и отрицательный электрод толщиной 0.4 мм из литиевой фольги (фирма Aldrich). В каждом электрохимическом элементе, электрод из литиевой фольги соединяли с токосъемником, изготовленным из медной фольги толщиной 15 мкм, и использовали жидкий электролит, содержащий 1.33 М LiРF, растворенное в смешанном растворителе, содержащем этиленкарбонат, пропиленкарбонат, диметилкарбонат и этилметилкарбонат (4:1:3:2 по объему). Каждый электрохимический элемент был герметизирован в полиэтиленовом пакете с использованием машинки для термосварки.
Электрохимические элементы были гальваностатически разряжены с использованием аккумуляторного пробника типа Массоr 4300 (фирма Массоr). Электрохимический элемент, изготовленный с использованием оловянной фольги толщиной 0.10 мм, был разряжен током 0.4178 мА до 0.01 В. Разрядная емкость составила 1.65 мАч (4% теоретической разрядной емкости). Профиль разряда для этого устройства показан на фиг.19. После разборки устройства обнаружили, что биморфный электрод имеет "скручивание" на всех свободных кромках, что свидетельствует о сильном морфинге (о сильном изменении формы).
Электрохимический элемент, изготовленный с использованием оловянной фольги толщиной 0.05 мм, был разряжен током 0.4076 мА, пока разрядная емкость не составила 1.65 мАч (4% теоретической разрядной емкости). Профиль разряда для этого устройства показан на фиг.20. Аналогично биморфной структуре из оловянной фольги толщиной 0.10 мм, после разборки этого устройства обнаружили, что биморфная структура имеет изгиб на всех свободных кромках.
Эти примеры показывают возможность изготовления различных электрохимических биморфных преобразователей в соответствии с настоящим изобретением. Эти примеры также показывают, что необходимо полностью разряжать электрохимические элементы в соответствии с настоящим изобретением, чтобы получить значительный морфинг, однако разностное механическое напряжение, которое получают всего при нескольких процентах разряда теоретической разрядной емкости электрохимического элемента, может быть достаточным для осуществления желательного приведения в действие.
ПРИМЕР 7
Управление рабочим циклом электрохимического преобразователя
Электрохимический преобразователь, имеющий конструкцию, аналогичную описанной в примере 1, подвергали рабочему циклу с управляемым разрядом, чтобы получить медленную скорость деформации. Рабочим циклом управляли при помощи электронного реле (фирма Radio Shack), которое включали и выключали за счет управления током от аккумуляторного пробника типа Maccor 4300 (фирма Maccor), включенного последовательно с внешним нагрузочным резистором 1 Ом между выводами электрохимического элемента. Контакты реле замыкаются при поступлении тока от аккумуляторного пробника и размыкаются при прерывании тока. Был создан 20% рабочий цикл, в котором ток включали на 50 мс полного периода 200 мс. На фиг.18 показан график кривой перемещения для электрохимического преобразователя морфинга, управляемого при помощи 20% рабочего цикла. Результирующее перемещение устройства, показанное на фиг.18, демонстрирует деформацию преобразователя при низкой управляемой скорости. Как уже было указано здесь выше, альтернативный способ получения управляемой низкой скорости деформации предусматривает разряд указанного преобразователя через внешнюю нагрузку с более высоким сопротивлением.
ПРИМЕР 8
Электрохимический преобразователь с автономным источником питания. имеющий большее электрическое напряжение приведения в действие
В некоторых случаях может быть желательно иметь более высокое среднее электрическое напряжение разряда, чем в предыдущих примерах с использованием олова и металлического лития, например, когда необходимо иметь существенное электрическое напряжение приведения в действие даже при наличии значительной поляризации электрохимического элемента. Сурьма может быть полезным материалом для электрода морфинга в таких применениях, принимая во внимание ее относительно более высокое напряжение холостого хода по сравнению с металлическим литием (около 0.95 В). Электрохимическое устройство было подготовлено в соответствии с примером 1, с использованием порошка из сурьмы -325 меш (содержание металла 99.5%, фирма Alfa Aesar) вместо порошка из олова. Порошок из сурьмы прессовали под давлением 2250 lbf в пресс-форме с диаметром ½ дюйма. Полученная таблетка имеет вес 0.687 г и толщину 1.31 мм, что соответствует теоретической емкости 454 мАч. Образец был гальваностатически разряжен током 3.025 мА до 0.01 В. Разрядная емкость составила 49.98 мАч (11% теоретической емкости), что привело к сильной деформации таблетки из сурьмы.
Несмотря на то что были описаны со ссылкой на чертежи различные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Следует иметь в виду, что все описанные здесь параметры, размеры, материалы и конфигурации являются примерными, причем действительные параметры, размеры, материалы и/или конфигурации зависят от специфического применения или применений, в которых используют настоящее изобретение. Специалисты в данной области могут предложить или найти с использованием стандартных экспериментов множество эквивалентов для описанных здесь специфических вариантов настоящего изобретения. Однако следует иметь в виду, что эти варианты представлены только в качестве примера и что, в рамках приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов, настоящее изобретение может быть реализовано иначе, чем это специфически описано и заявлено. Настоящее изобретение направлено на каждый описанный здесь индивидуальный признак, систему, изделие, материал, комплект и/или способ. Кроме того, любая комбинация двух или нескольких таких признаков, систем, изделий, материалов, комплектов и/или способов не выходит за рамки настоящего изобретения, если такие признаки, системы, изделия, материалы, комплекты и/или способы не являются взаимно несовместимыми.
Если в описании и в формуле изобретения речь идет об одном элементе, то если четко не указано иное, это следует понимать как "по меньшей мере один" элемент.
Если в описании и в формуле изобретения использована фраза "и/или", то это следует понимать как "каждый или оба" из соединенных элементов, то есть из элементов, которые могут присутствовать вместе в некоторых случаях и раздельно присутствовать в других случаях. Также при необходимости могут присутствовать и другие элементы, которые специфически не объединены фразой "и/или", которые могут быть связаны или не связаны с такими элементами. Таким образом, в неограничительном примере, ссылка на "А и/или В," когда ее используют без ограничения, в одном варианте может означать А без В (при необходимости с использованием других элементов кроме В); в другом варианте - В без А (при необходимости с использованием других элементов кроме А); и в еще одном варианте - А и В (при необходимости с использованием других элементов).
Если в описании и в формуле изобретения использовано слово "или", то его следует понимать в том же значении, что и приведенное выше определение для "и/или". Например, при разделении пунктов в списке, "или" или "и/или" следует понимать как содержащий элемент, то есть как включение по меньшей мере одного элемента, но также включение больше чем одного, некоторого числа или списка элементов и, возможно, других, не указанных в списке элементов. Только если четко указано иное, например "только один из" или "точно один из", или, при использовании в формуле изобретения, "состоящий из", тогда это следует понимать как включение только одного элемента из числа или списка элементов. Как правило, использованный здесь термин "или" следует понимать только как указывающий исключающие альтернативы (то есть "один или другой, но не оба"), когда перед ним стоят определения исключительности, такие как "один из двух", " один из", "только один из" или "точно один из". Термин "состоящий исключительно из", когда его используют в формуле изобретения, имеет обычно значение, применяемое в области патентного права.
Используемую в описании изобретения и в формуле изобретения фразу "по меньшей мере один" элемент, со ссылкой на перечень, содержащий один или несколько элементов, следует понимать как по меньшей мере один элемент, выбранный из любого одного или нескольких элементов в перечне элементов, но не обязательно содержащий по меньшей мере один из любого и каждого из элементов, специфически указанных в перечне элементов, и не исключающий любую комбинацию элементов в перечне элементов. Это определение также позволяет при необходимости иметь другие элементы, кроме тех, которые специфически указаны в перечне элементов и к которым относится фраза "по меньшей мере один" элемент, причем эти другие элементы могут быть связаны или не связаны со специфически указанными элементами. Таким образом, в не ограничительном примере, выражение "по меньшей мере один из А и В" (или, что эквивалентно, "по меньшей мере один из А или В", или, что эквивалентно, "по меньшей мере один из А и/или В") может в соответствии с одним из вариантов означать по меньшей мере один, при необходимости, больше чем один, А, при отсутствии В (и, при необходимости, с наличием других элементов, кроме В); в другом варианте, по меньшей мере один, при необходимости, больше чем один, В, при отсутствии А (и, при необходимости, с наличием других элементов, кроме А); в еще одном варианте, по меньшей мере один, при необходимости, больше чем один, А, и по меньшей мере один, при необходимости, больше чем один, В (и, при необходимости, с наличием других элементов); и т.п.
В формуле изобретения и в приведенном выше описании изобретения, все промежуточные фразы, такие как "который содержит", "содержащий", "несущий", "имеющий", "предусматривающий", "поддерживающий" и т.п., следует понимать в неограничительном смысле, то есть как содержащий, но без ограничения. Только такие промежуточные фразы, как "состоящий из" и "состоящий главным образом из", следует понимать соответственно в ограничительном или в полуограничительном смысле, как это указано в документе United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures, Section 2111.03 (Руководство по процедуре экспертизы патентов США).