Тонкослойный гальванический элемент с самоформируемым разделителем

Тонкослойный гальванический элемент с самоформируемым разделителем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к тонкослойным жидкостным гальваническим элементам, предпочтительно с открытой конфигурацией, используемым в качестве батарейных источников питания за счет преобразования химической энергии в электрическую энергию, в частности к элементу с жидким электролитом и с самоформируемым пористым разделительным слоем между слоями отрицательного полюса и положительного полюса.

Уровень техники

Существуют два широких класса батарей (химических источников тока, ХИТ): жидкостные батареи, т.е. батареи с жидким или влажным электролитом, и твердотельные батареи, т.е. батареи с электролитом в твердом состоянии. Твердотельные батареи обладают теми преимуществами по сравнению с жидкостными батареями, что они в силу присущих им по природе характеристик не высыхают и не вытекают. Однако по сравнению с жидкостными батареями их основным недостатком является то, что по причине ограниченной скорости диффузии зарядов через твердое вещество их работа в гораздо большей степени зависит от температуры, и многие из них работают хорошо только при повышенных температурах. Из-за ограниченных скоростей диффузии твердотельные батареи имеют низкое соотношение вырабатываемой электрической энергии к их потенциальной химической энергии.

Жидкостные тонкослойные батареи обычно содержат положительный и отрицательный слои активного нерастворимого материала, соприкасающиеся с расположенным между ними разделительным слоем, который пропитан жидким раствором электролита. Эти батареи, примеры которых описываются в патенте США № 4623598, выданном Waki и др., и в патенте Японии JP 61-55866, выданном Fuminobu и др., нужно герметизировать в оболочечной пленке, чтобы исключить испарение жидкости, и поэтому они являются закрытыми гальваническими элементами. Будучи закрытыми элементами, эти батареи имеют тенденцию к набуханию при их хранении из-за выделения газов. Для тонкослойных батарей без механической основы это губительная проблема, поскольку давление, оказываемое накапливающимися газами, приводит к разделению слоев, в результате чего батарея выходит из строя. Средства решения этой проблемы включают в себя: (i) применение полимерного вещества повышенной вязкости, такого как гидроксиэтилцеллюлоза, которое связывает слои батареи вместе и служит в качестве механической основы; и (ii) введение ртути для предотвращения образования газов, особенно водорода. Однако полимеры имеют ограниченную эффективность, а ртуть экологически вредна.

Еще одно решение проблемы выделения газов в жидкостных батареях предлагается в патенте США № 3901732, выданном Kis и др., согласно которому газопроницаемый, непроницаемый для жидкости полимерный материал используется в качестве оболочечной пленки, в которой заключен гальванический элемент. Полимерный материал позволяет образовавшимся в батарее нежелательным газам выходить из нее, но при этом предотвращает потерю жидкости из батареи.

Более непосредственное и эффективное решение исключения накапливания нежелательных газов в жидкостных тонкослойных батареях раскрыто в патентах США №№ 5652043 и 5897522, выданных Nitzan и включенных в данный документ путем ссылки во всей их полноте. Эти патенты США раскрывают жидкостные батареи, выполненные в виде открытых элементов для облегчения выхода газов, и при этом они выполнены так, что испарение и высыхание жидкости в батареях исключены. Эта конструкция дает возможность изготавливать тонкослойные батареи без корпусов, и такие батареи являются более простыми, более тонкими, более гибкими и более дешевыми с точки зрения массового производства.

Обращаясь к Фиг.1, которая показывает принципиальную конструкцию гибкого тонкослойного открытого гальванического элемента согласно патентам США №№ 5562043 и 5897522, обозначенного далее как элемент 10:

Элемент 10 содержит слой нерастворимого отрицательного полюса 14, слой нерастворимого положительного полюса 16 и слой пористого разделителя 12, расположенного между ними. Слой разделителя обеспечивает ионный транспорт в электролите между полюсными слоями. Следует отметить, что в данном описании везде отрицательным полюсом является тот, где происходит окисление, положительным полюсом является тот, где происходит восстановление, а термин "гальванический элемент" обозначает как первичные, так и вторичные (перезаряжаемые) химические источники тока.

Разделитель 12 обычно содержит пористое нерастворимое вещество, такое как, помимо прочих, фильтровальная бумага, пластмассовая мембрана, целлюлозная мембрана, ткань, нетканый материал (например, волокна хлопка) и т.п., и пропитан водным раствором электролита. Раствор электролита обычно содержит легко впитывающий влагу (и гигроскопичный) материал для поддержания открытого элемента 10 всегда влажным, электроактивный растворимый материал для получения требуемой ионной проводимости и растворимый в воде полимер для обеспечения требуемой вязкости с тем, чтобы полюсные слои 14 и 16 были сцеплены с разделителем 12.

Будучи гигроскопичным, легко впитывающий влагу материал постоянно поддерживает увлажненное состояние открытого элемента 10. Уровень содержания влаги в элементе может изменяться в зависимости от легко поглощающего влагу материала, от его концентрации и от влажности и температуры окружающей среды. Соответствующими легко впитывающими влагу материалами являются, помимо прочих, хлорид кальция, бромид кальция, хлорид лития, хлорид цинка, бифосфат калия, ацетат калия и их комбинации.

Электроактивный растворимый материал выбирают в соответствии с материалами, из которых сделаны слои отрицательного и положительного полюсов. Примерами соответствующих электроактивных растворимых материалов являются хлорид цинка и бромид цинка для различных первичных элементов и гидроксид калия и серная кислота для перезаряжаемых элементов.

Растворимый в воде полимер используют в качестве клеящего вещества для связывания полюсных слоев 14 и 16 с разделителем 12. Подходящими для этих целей являются многие типы полимеров, такие как поливиниловый спирт (ПВС), полиакриламид, полиакриловая кислота, поливинилпирролидон (ПВП), оксид полиэтилена, агар, крахмал, гидроксиэтилцеллюлоза, их комбинации и их сополимеры.

Во всех вариантах осуществления патентов США 5652043 и 5897522 пористый разделительный слой формируют или изготавливают в виде отдельного от слоев отрицательного и положительного полюсов слоя. Это в свою очередь налагает ограничения в том смысле, что: (i) необходимы по меньшей мере три этапа изготовления; и (ii) контакт между слоями обычно хуже оптимального.

Раскрытие изобретения

В одном из своих аспектов настоящее изобретение направлено на обеспечение усовершенствований в гибких тонкослойных открытых жидкостных гальванических элементах, раскрытых в патентах США 5652043 и 5897522. Согласно изобретению и в противоположность известному уровню техники, этап изготовления разделительного слоя, располагаемого между полюсными слоями, отсутствует. Вместо этого, растворы ингредиентов, которые включают в себя электроактивные растворимые материалы и, дополнительно и предпочтительно, легко поглощающий влагу материал и растворимый в воде полимер, выбирают такими, что между полюсными слоями самоформируется граничный слой пористого разделителя при взаимодействии между выбранными ингредиентами в слоях отрицательного и положительного полюсов или, как вариант, при взаимодействии обоих полюсных слоев с необязательным промежуточным слоем. Формируемый таким образом элемент предпочтительно достаточно легко поглощает влагу для постоянного поддержания полюсных слоев по существу влажными и является достаточно электроактивным для обеспечения ионной проводимости между полюсными слоями.

Взаимодействие, которое формирует граничный слой, может быть взаимодействием нескольких альтернативных типов, то есть может происходить физическое взаимодействие или химическая реакция между полюсными слоями или полюсными слоями и дополнительным слоем между ними, что приводит к формированию геля или осадка между полюсными слоями, и эти гель или осадок служат в качестве пористого разделителя, пропитываемого жидким электролитом.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ формирования гальванического элемента, включающий в себя контактирование слоя отрицательного полюса и слоя положительного полюса друг с другом или с необязательным (дополнительным) слоем, расположенным между ними, при этом полюсные слои и необязательный слой выбирают такими, чтобы при указанном контактировании происходило самоформирование граничного разделительного слоя между полюсными слоями.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен гальванический элемент, содержащий слой отрицательного полюса, слой положительного полюса и расположенный между ними граничный разделительный слой, при этом слой отрицательного полюса и слой положительного полюса выбраны такими, что при контактировании их друг с другом или с необязательным слоем, расположенным между ними, происходит самоформирование указанного граничного разделительного слоя.

Согласно прочим признакам предпочтительных вариантов осуществления описываемого ниже изобретения, полюсные слои и необязательный слой выбирают такими, что гальванический элемент достаточно легко поглощает влагу для поддержания полюсных слоев по существу влажными и достаточно электроактивными для обеспечения ионной проводимости между полюсными слоями.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой содержит полимерный осадок или гель.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самоформируется за счет физического взаимодействия.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, физическое взаимодействие приводит к образованию полимерного осадка или геля между полюсными слоями.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самоформируется за счет химической реакции.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, химическая реакция приводит к образованию полимерного осадка или геля между полюсными слоями.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самоформируется за счет физического взаимодействия между по меньшей мере одним полимером и по меньшей мере одним осадителем полимера.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самоформируется за счет физического взаимодействия между по меньшей мере одним полимером и по меньшей мере одним агентом электростатического сшивания.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самофрмируется за счет физического взаимодействия между по меньшей мере двумя полимерами.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, физическое взаимодействие между по меньшей мере двумя полимерами выбирают из группы, состоящей из электростатического взаимодействия и неэлектростатического взаимодействия.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, неэлектростатическое взаимодействие выбирают из группы, состоящей из взаимодействия с образованием водородных связей и ван-дер-ваальсового взаимодействия.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самоформируется за счет физического взаимодействия между по меньшей мере двумя полимерами и по меньшей мере одним активатором.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один активатор выбирают из группы, состоящей из хлорида цинка и ионов Н₃О⁺.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, граничный разделительный слой самоформируется за счет химического взаимодействия между по меньшей мере одной полимеризуемой единицей и по меньшей мере одним активатором полимеризации.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, по меньшей мере один из полюсных слоев содержит материал, который является и легко поглощающим влагу, и электроактивным, например хлорид цинка.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, слой положительного полюса содержит порошок диоксида марганца, а слой отрицательного полюса содержит порошок цинка.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, слой отрицательного полюса дополнительно содержит углеродный порошок.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, слой положительного полюса дополнительно содержит углеродный порошок.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один полимер содержит поливинилпирролидон (ПВП).

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один осадитель полимера содержит хлорид цинка.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один полимер содержит по меньшей мере один полисахарид.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один полисахарид содержит хитозан.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один полисахарид содержит по меньшей мере один карбоксилированный полисахарид.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один полисахарид содержит альгинат натрия.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный по меньшей мере один полисахарид содержит пектин.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, указанный агент электростатического сшивания содержит хлорид цинка.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, по меньшей мере один из указанных по меньшей мере двух полимеров является полиакриловой кислотой.

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, по меньшей мере один из указанных по меньшей мере двух полимеров является полимером, выбираемым из группы, состоящей из ПВП, поливинилового спирта, оксида полиэтилена и полиэтилоксазолина (РЕОх).

Согласно другим признакам описанных предпочтительных вариантов осуществления, в электрическом контакте с по меньшей мере одним из указанных полюсных слоев находится по меньшей мере один вывод, нанесенный с помощью технологии печатания и выполненный из металла, такого как, помимо прочих, железо, никель, титан, медь, нержавеющая сталь и их смеси.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, гальванический элемент дополнительно содержит по меньшей мере одну расположенную снаружи клейкую подложку.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, гальванический элемент дополнительно содержит по меньшей мере один расположенный снаружи защитный слой.

Настоящее изобретение успешно устраняет недостатки известных в настоящее время конструкций за счет обеспечения элемента, в котором разделительный слой самоформируется, в результате чего сокращается число этапов изготовления и обеспечивается оптимальный контакт между разделительным слоем и полюсными слоями.

Краткое описание чертежей

Изобретение далее излагается - только в качестве примера - со ссылкой на прилагаемые чертежи. Обращаясь подробно к чертежам, необходимо отметить, что все детали представлены только в качестве примера и только в целях пояснительного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, в частности представлены в целях предполагаемого наиболее целесообразного и понятного описания принципов и концептуального замысла изобретения. В этом отношении конструктивные подробности изобретения не даются более подробно, чем это нужно для понимания фундаментальных принципов изобретения; и описание в совокупности с чертежами разъясняет специалистам в данной области техники, как можно практически осуществить несколько видов данного изобретения.

На чертежах:

Фиг.1 - упрощенное изображение принципиальной конструкции известного из уровня техники тонкослойного открытого гальванического элемента;

Фиг.2 - упрощенное изображение тонкослойного открытого гальванического элемента, сконструированного и действующего согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.3 - упрощенная блок-схема способов формирования гальванического элемента в соответствии с предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

Изобретение представляет собой тонкослойные жидкостные гальванические элементы, которые содержат самоформируемые разделители, и способы их изготовления.

Принципы и действие гальванического элемента и способ согласно изобретению поясняются со ссылкой на чертежи и прилагаемое описание.

Перед подробным изложением по меньшей мере одного предпочтительного варианта осуществления нужно отметить, что изобретение не ограничивается подробностями конструкции и компоновкой узлов, излагаемыми в приводимом ниже описании или показываемыми на чертежах. Это изобретение может иметь и другие варианты осуществления, и его можно практиковать и выполнять разными способами. Также необходимо отметить, что используемые здесь фразеология и терминология имеют только описательную цель, и их не следует считать ограничивающими.

Обращаясь к Фиг.2, где показан гибкий тонкослойный открытый гальванический элемент 50, сконструированный и действующий согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения:

Элемент 50 содержит слой 52 отрицательного полюса и слой 54 положительного полюса. Каждый из слоев 52 и 54 отрицательного и положительного полюсов содержит смесь подходящего (соответственно отрицательного или положительного) активного нерастворимого материала с водным раствором электролита, включающим в себя электроактивный растворимый материал, а предпочтительно - также легко поглощающий влагу материал и клеящий полимер.

Соответствующие пары активных порошковых материалов, используемых в слоях отрицательного и положительного полюсов, включают в себя, помимо прочих, диоксид марганца/цинк, оксид серебра/цинк, кадмий/оксид никеля и железо/оксид никеля. Как вариант, MnO₂ и AgO можно смешать с электропроводным углеродным порошком согласно известному уровню техники.

Отдельно взятый материал может функционировать и как легко поглощающий влагу материал, и как электроактивный растворимый материал. Этот материал должен обладать соответствующими характеристиками электроактивности и гигроскопичности. Соответствующие материалы этого типа включают в себя, помимо прочих, хлорид цинка и бромид цинка. Водный раствор электролита предпочтительно содержит ZnCl₂, который очень гигроскопичен и поэтому может служить в качестве высокоэффективного поглощающего влагу материала, а также в качестве электроактивного растворимого материала в элементе 50.

Отдельно взятый материал может функционировать и как легко поглощающий влагу материал, и как клеящий полимер. Этот материал должен обладать соответствующими гигроскопическими и клеящими характеристиками. Соответствующие материалы этого типа включают в себя, помимо прочих, декстран, сульфат декстрана, простые эфиры целлюлозы, такие как метилцеллюлоза и гидроксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиэтилоксазолин и их комбинации и сополимеры. Однако, поскольку ZnCl₂ является очень гигроскопичным, то использование его в качестве легко поглощающего влагу материала в растворе электролита очень предпочтительно по сравнению с указываемыми выше полимерами, и поэтому полимер(ы) в основном применяются для обеспечения сцепления полюсных слоев с самоформируемым разделителем.

Водный раствор электролита в полюсных слоях 52 и 54 дополнительно содержит один или большее количество водорастворимых полимеров и, при необходимости, один или большее количество полимеризаторов, которые выбраны таким образом, что в результате взаимодействия между ними при контактировании самоформируется граничный пористый разделительный слой 56. Самоформируемый граничный пористый разделительный слой 56 является проницаемым для электролита и поэтому обеспечивает возможность ионного транспорта между полюсными слоями 52 и 54.

То есть, согласно данному изобретению и в противоположность известному уровню техники, разделитель 56 не является самостоятельным слоем, помещаемым в процессе изготовления элемента 50 между полюсными слоями 52 и 54, а формируется сам между полюсными слоями 52 и 54, тем самым устраняя необходимость во введении отдельного разделителя между полюсными слоями в гальваническом элементе и улучшая контакт между полюсными слоями 52 и 54 и самоформируемым пористым разделительным слоем 56.

В альтернативном варианте гальванический элемент формируется с помощью трех слоев таким образом, что слой 54 положительного полюса и слой 52 отрицательного полюса контактируют с тонким слоем, располагаемым между ними. Содержащиеся в полюсных слоях ингредиенты и тонкий слой выбирают таким образом, что по обеим сторонам тонкого слоя самоформируются граничные разделители и в ходе реакции интегрируются в единый самоформируемый (самосформированный) граничный разделительный слой 56, расположенный между полюсными слоями 52 и 54. Это решение имеет то преимущество, что оно повышает возможности управления толщиной самоформируемого граничного разделительного слоя 56.

Однако в обоих альтернативных вариантах граничный пористый разделитель согласно настоящему изобретению самоформируется в оптимальном положении (месте) между полюсными слоями, имеет оптимальную толщину и оптимальный плотный контакт с полюсными слоями. Как видно на Фиг.2, граничный разделитель 56 предпочтительно сформирован только на границе раздела полюсных слоев 52 и 54, в то время как остальные части полюсных слоев 52 и 54 по существу не имеют какого-либо взаимодействия между собой.

Согласно излагаемому ниже описанию, существует несколько подходов к способу самоформирования граничного разделителя 56. Согласно предпочтительным вариантам осуществления изобретения, однако, для самоформирования разделителя 56 используются легко поглощающие влагу и/или клеящие полимеры. Эти легко поглощающие влагу и/или клеящие полимеры наиболее активны в смысле поглощения влаги и/или проявления клеящих свойств в том случае, когда находятся в растворе. Но на клеящие свойства и/или свойства легкого поглощения влаги у раствора электролита, содержащего эти полимеры, которые также участвуют в самоформировании разделительного слоя 56, отрицательного влияния это не оказывает, так как достаточное количество молекул полимера остается растворенным в растворе электролита, и поэтому указанные клеящие свойства и/или свойства легкого поглощения влаги гальванического элемента при этом не ухудшаются.

Согласно настоящему изобретению, слои отрицательного и положительного полюсов можно сформировать путем покрытия пары тонких инертных листов или пленок, таких как пленка MYLAR^® или пленка из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), или пленка из сложного полиэфира, выбранными полюсными материалами и растворами электролита. Эти две пленки вводят в контакт друг с другом, и на границе двух полюсных слоев самоформируется граничный пористый разделитель. При необходимости между слоями отрицательного и положительного полюсов помещают дополнительный тонкий водный слой, который содержит один или большее количество ингредиентов, выбранных для взаимодействия с обоими слоями положительного и отрицательного полюсов, в целях самоформирования граничного разделителя. Эти три слоя вводят в контакт друг с другом, чтобы произошло самоформирование граничных разделителей по обеим сторонам тонкого слоя, который интегрируется в единый граничный разделительный слой, самоформируемый между полюсными слоями в конце процесса с тем, чтобы обеспечить разделитель большей толщины.

Элемент, формируемый по способу настоящего изобретения, предпочтительно является достаточно легко влагопоглощающим для того, чтобы постоянно поддерживать полюсные слои по существу во влажном состоянии, и достаточно электроактивным для обеспечения ионной проводимости между полюсными слоями. Эти свойства влагопоглощения и электроактивности гальванического элемента можно обеспечить с помощью водного раствора электролита, содержащего ZnCl₂, в соответствии с вышеизложенным.

Как показано на Фиг.3, твердый граничный разделительный слой самоформируется либо в виде геля 60, либо в виде полимерного осадка 62. Используемый здесь термин "гель" обозначает более однородную и обычно несколько прозрачную матрицу. Используемая здесь фраза "полимерный осадок" обозначает менее прозрачную матрицу, которая может быть, например, замутненной или непрозрачной, поскольку она менее однородна и менее упорядочена на микроскопическом уровне. Как также показано на Фиг.3, данное изобретение использует несколько альтернативных типов взаимодействий, которые применяются для самоформирования геля или полимерного осадка в качестве граничного пористого разделителя и которые более подробно описываются ниже. Например, эти взаимодействия предусматривают осаждение одного или большего количества полимеров, совместное осаждение (соосаждение) двух или более полимеров или полимеризацию полимеризуемых единиц.

Так, гель 60 или полимерный осадок 62 могут быть коацерватом, сформированным за счет взаимодействия между слоями положительного и отрицательного полюсов друг с другом или с дополнительным тонким слоем. Применяемый здесь термин "коацервация" характеризует фазоотделение фазы со значительным содержанием полимера от макромолекулярного раствора, происходящее при снижении растворимости с помощью некоторых химических или физических средств. Термин "коацервация" в области науки о полимерах нередко используется для описания осаждения полимеров в результате некоторых определенных взаимодействий, обычно взаимодействий на границах раздела.

Взаимодействие между слоями, за счет которого формируется граничный разделительный слой, можно классифицировать либо как физическое взаимодействие, или как химическую реакцию.

Таким образом, как далее показано на Фиг.3, гель 60 или осадок 62 самоформируется между слоями отрицательного и положительного полюсов гальванического элемента в результате физического взаимодействия 58 между ними. Физическое взаимодействие 58 согласно настоящему изобретению предполагает формирование геля 60 или полимерного осадка 62 в результате нековалентных взаимодействий между компонентами, присутствующими в полюсных слоях и, как вариант, в дополнительном тонком слое 53, таких как, но не только их, электростатические взаимодействия, взаимодействия с образованием водородных связей, ван-дер-ваальсовы взаимодействия или их комбинации.

Формирование граничного разделителя в виде геля 60 или полимерного осадка 62 за счет физического взаимодействия 58 может включать в себя осаждение полимера 66 с помощью осадителя 68 полимера, электростатическое сшивание полимера 70, осуществляемое с помощью агента 72 сшивания, или сшивание двух или более полимеров 78 и 80, что приводит к их совместному осаждению.

Согласно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения, граничный разделитель самоформируется в виде геля или полимерного осадка в результате физического взаимодействия между одним или несколькими слоями, которые содержат водный раствор полимера, такого как, помимо прочих, ПВП или хитозан, и одним или несколькими слоями, которые содержат осадитель полимера, такой как, помимо прочих, концентрированный раствор (например, 55%) ZnCl₂.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления, граничный разделитель самоформируется в виде геля или полимерного осадка в результате электростатического физического взаимодействия между одним или несколькими слоями, которые содержат ионный раствор полимера (например, анионный раствор полисахарида, такого как альгинат натрия), и одним или несколькими слоями, которые включают в себя агент 72 электростатического сшивания (например, ZnCl₂).

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления, граничный разделитель самоформируется в виде геля или полимерного осадка в результате электростатического физического взаимодействия между одним или несколькими слоями, которые содержат ионный полимер в растворе, имеющем положительный заряд (например, катионный раствор полимера), и одним или несколькими слоями, которые содержат полимер в растворе, имеющем отрицательный заряд (например, анионный раствор полимера), и в этом случае граничный разделитель самоформируется в виде совместного осадка обоих полимеров.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления данного изобретения, граничный разделитель самоформируется в виде геля или полимерного осадка в результате сшивания, которое предполагает образование водородных связей между одним или несколькими слоями, содержащими полимер-акцептор водорода в растворе (например, раствор ПВП), и одним или несколькими слоями, содержащими полимер-донор водорода в растворе (например, раствор полиакриловой кислоты), и в этом случае граничный разделитель самоформируется в виде совместного осадка обоих полимеров.

Как далее показано на Фиг.3, в альтернативном варианте осуществления гель 60 или осадок 62 самоформируется между слоями отрицательного и положительного полюсов гальванического элемента в результате химической реакции 64. Химическая реакция 64 согласно настоящему изобретению предполагает образование геля 60 или полимерного осадка 62 в результате ковалентных взаимодействий, которые включают в себя формирование новых ковалентных связей. Химической реакцией 64 может быть, например, полимеризация одной или нескольких полимеризуемых единиц 74 с помощью активатора 76 полимеризации.

Используемая в данном документе фраза "полимеризуемые единицы" означает химические остатки (т.е. части молекул), которые способны формировать макромолекулы из многих единиц. Фраза "полимеризуемые единицы" означает основные полимеризуемые единицы, а также полимеризуемые полимеры, способные к полимеризации в еще более крупные полимеры. Фраза "активатор полимеризации" означает любой химикат, вызывающий полимеризацию полимеризуемых единиц, будь то катализатор, сополимеризатор или химический сшиватель, с помощью катализа или самостоятельно.

Согласно одному из вариантов осуществления, граничный разделитель самоформируется в виде геля или полимерного осадка в результате химической реакции между одним или несколькими слоями (52, 54 и необязательно также 53 - Фиг.3), которые содержат одну или несколько полимеризуемых единиц, и одним или несколькими слоями, которые содержат активатор полимеризации, вызывающий полимеризацию полимеризуемых единиц до более высокой степени полимеризации.

Согласно еще одному варианту осуществления, один или несколько слоев содержат раствор полимера с одной или несколькими полимеризуемыми единицами (например, полиизоцианат), и один или несколько слоев содержат еще один полимерный раствор одной или нескольких полимеризуемых единиц (например, полиамин, такой как хитозан или полиэтиленимин; или полигликоль, такой как полиэтиленгликоль или полисахарид), и два растворимых полимера химически взаимодействуют между собой с получением нерастворимого сополимера, который формирует граничный разделитель. Необязательно, один или несколько слоев могут также содержать один или несколько активаторов полимеризации, которые вызывают образование нерастворимого сополимера.

Согласно еще одному варианту осуществления, один из нескольких слоев содержит водный раствор одной или нескольких полимеризуемых единиц, и один из нескольких слоев содержит химический активатор, который служит в качестве агента сшивания (за счет индукции или самостоятельно), и, как вариант, еще один водный раствор одной или нескольких полимеризуемых единиц, и в этом случае граничный разделитель самоформируется в результате химического сшивающего взаимодействия.

Таким образом, граничный разделитель самоформируется между слоями отрицательного и положительного полюсов либо за счет физического взаимодействия 58, либо за счет химической реакции 64 согласно вышеизложенному и согласно приводимому ниже подробному описанию.

Примером физического взаимодействия, при котором образуется гель или полимерный осадок, является взаимодействие осаждения между хлоридом цинка, действующим как поглощающий влагу материал, как электроактивный растворимый материал и как осадитель, и водным раствором ПВП.

Согласно предварительным экспериментам было обнаружено, что пленки из ПВП не растворяются в 55%-ом хлориде цинка и не имеют значительного набухания. Поэтому прогнозировалось, что взаимодействие раствора ПВП с концентрированным раствором хлорида цинка приведет к осаждению ПВП.

Этот прогноз был практически осуществлен за счет контактирования пары инертных пленок, упоминаемых выше и имеющих покрытие из электролитного раствора хлорида цинка (55%) и ПВС (8%-12%), с водным раствором 10% ПВП К-90 (содержащим 2% насыщенного раствора метиленовой сини (метиленовый синий) в этаноле в качестве индикатора), помещенным между ними. Обнаружено, что хлорид цинка постепенно диффундировал в полимерный раствор ПВП, и на границе слоев быстро формировался гель или полимерный осадок в виде очень тонкой пленки синего цвета. Гель или полимерный осадок, формируемый в этих экспериментах, имел толщину порядка 12-17м, но нужно понимать, что эти значения приводятся только в качестве примера, и изобретение никоим образом не ограничивается этими значениями. Гель или полимерный осадок был сформирован в виде относительно твердой сплошной матрицы, которую можно было бы полностью (т.е. целиком) отделить от слоистой структуры.

В других экспериментах, проведенных для того, чтобы продемонстрировать образование граничного твердого слоя за счет взаимодействия осаждения, была использована другая методика. Эта методика использовала пару инертных пленок, таких как MYLAR^®, покрытых раствором 55% хлорида цинка и 8-12% ПВС, которые были далее покрыты тонким слоем раствора ПВП. Две пленки ввели в контакт друг с другом, и между ними сразу же образовался гель или полимерный осадок. В других экспериментах с взаимодействием осаждения был использован граничный раствор, содержащий смесь ПВП и ПВС (поливиниловый спирт), и были осуществлены две упоминаемые выше методики. Полученные результаты показали, что повышение концентрации ПВС в граничном растворе привело к формированию геля или полимерного осадка, который был намного пористее, чем тот, который был получен только с помощью ПВП, и поэтому был мягче и содержал в себе большее количество раствора электроактивного хлорида цинка.

Эти сравнительные эксперименты показывают, что механическими свойствами и ионной проводимостью полученного геля и полимерного осадка можно управлять за счет соотношения полимеров в граничном растворе.

Еще одним примером физического взаимодействия осаждения является взаимодействие между хлоридом цинка и хитозаном. Хитозан является аминофункциональным полисахаридом, который можно обнаружить, наприме