一种可微纳制作的可植入微型生物安全性电池及其制备方法

本发明属于生物医药及3d打印，具体涉及到一种可微纳制作的可植入微型生物安全性电池及其制备方法。

背景技术：

1、植入式生物电子器件（如心脏起搏器）直接与生物组织接触，已广泛应用于疾病治疗与实时健康监测。电池作为该类器件的关键供能单元，除了需具备高能量密度和稳定的功率输出能力，还应具有安全性和柔性。

2、传统植入式电池（例如锂/氟化碳电池）多采用刚性外壳（如钛金属壳体），其弹性模量与变形行为与软组织之间存在显著力学失配，易在体内诱发严重的异物反应。此外，这类电池通常采用铜、铝等金属集流体，不仅使电池整体缺乏柔性，而且所用金属材料本身缺乏生物相容性，存在安全隐患。传统电极制备工艺多采用涂布法，所得电极需裁剪为圆形或方形片状，导致电池构型单一，植入后空间利用率低，难以实现灵活的植入适配。

3、许多微纳加工技术（例如3d打印技术)作为一种精准、便捷的图案化加工手段，已被引入柔性电池制造领域。然而，现有可打印加工的集流体浆料普遍难以匹配锂合金基电池的工作电压窗口，且在有机电解液环境中存在溶解风险，制约了其在可植入电池中的应用。

4、针对上述问题，本发明提供了一种符合锂合金基电池电压窗口要求、耐受有机电解液侵蚀且可适用于3d打印的集流体浆料，并基于一系列安全材料构建了一种具有可植入式柔性及生物相容性的锂合金基电池。该电池具备良好的柔韧性和可设计性，能够实现多样化外形，有望突破现有植入式电池刚性结构单一、形状受限的技术瓶颈。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种可微纳制作的可植入微型生物安全性电池。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种可微纳制作的可植入微型生物安全性电池，其特征在于：所述可植入微型生物安全性电池包括无金属集流体、锂锡合金负极、正极片、封装外壳、隔膜与生物相容性电解液；

5、所述无金属集流体由可微纳加工的集流体浆料制备而成，该集流体浆料包括导电剂、粘结剂和溶剂；

6、所述锂锡合金负极表面包覆有聚乙二醇-石蜡保护层；

7、所述集流体、负极、正极片均采用3d打印方式在聚酰亚胺基底上层状成型，电池整体为叠层柔性结构，依次为封装外壳、负极极片、隔膜、生物相容性电解液、正极极片、封装外壳。

8、作为本发明所述可微纳制作的可植入微型生物安全性电池的一种优选方案，其中：所述导电剂选自碳纳米管、石墨烯、炭黑、有机高分子导电剂中的至少一种，粘结剂为聚偏二氟乙烯，溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

9、作为本发明所述可微纳制作的可植入微型生物安全性电池的一种优选方案，其中：所述集流体浆料由含有分散剂的碳纳米管浆料、多壁碳纳米管粉末、聚偏二氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮混合搅拌制成。

10、作为本发明所述可微纳制作的可植入微型生物安全性电池的一种优选方案，其中：所述负极通过将锡浆料打印在集流体上制成锡极片，再与锂金属组装电池并放电至0.01v形成锂锡合金。

11、作为本发明所述可微纳制作的可植入微型生物安全性电池的一种优选方案，其中：所述正极片的活性物质选自磷酸铁锂或氟化碳。

12、本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种可植入微型生物安全性电池的制备方法，其特征在于：包括，

13、将碳纳米管浆料、碳纳米管粉末、聚偏二氟乙烯、n-甲基吡咯烷酮混合后搅拌制得可3d打印的集流体浆料；

14、将金属锡粉、聚偏二氟乙烯、炭黑混合，加入n-甲基吡咯烷酮研磨制成均匀且适合3d打印的锡浆料，使用3d打印在聚酰亚胺膜上以层状的形式，打印一层集流体浆料，烘干后将锡浆料打印在集流体上，制备出附载金属锡的极片；将附载金属锡的极片，与锂金属极片组装成锂/锡电池，将锂/锡电池放电至0.01v，放电后的锂/锡电池转移至氩气手套箱内，取出锡电极片并清洗，此电极片即为锂锡合金负极片；在锂锡合金负极片表面涂覆聚乙二醇-石蜡，形成防护层；

15、将正极活性物质、粘结剂、导电添加剂混合，加入n-甲基吡咯烷酮，研磨制成均匀且适合3d打印的浆料，制得正极浆料；使用3d打印在聚酰亚胺膜上以层状的形式，打印一层集流体浆料，烘干后将正极浆料打印在集流体上，制得正极极片；

16、在氩气手套箱内，将双草酸硼酸锂与二丙二醇二甲醚混合搅拌均匀，制得生物相容性电解液；

17、以叠层的方式，在手套箱中依次放置封装外壳、负极极片、隔膜、加注生物相容性电解液、正极极片、封装外壳；先真空预封装排出气体与多余电解液，再整体热封，制得柔性电池。

18、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述碳纳米管浆料、碳纳米管粉末、聚偏二氟乙烯、n-甲基吡咯烷酮的所述碳纳米管浆料、碳纳米管粉末、聚偏二氟乙烯、n-甲基吡咯烷酮的质量比为：5.5:0.2:0.05:0.75；

19、所述金属锡粉、聚偏二氟乙烯、炭黑的质量比为：7:1.5:1.5；

20、所述正极活性物质、粘结剂、导电添加剂的质量比为：8:1:1。

21、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述3d打印的参数为：集流体参数为气压0.15~0.26mpa、移动速度为8mm/s，填充间隙为0.2~0.25mm；电极浆料参数为气压0.15mpa，移动速度3.2~9.0 mm/s。

22、本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种可植入微型生物安全性电池的应用，其特征在于：所述电池作为供能单元，应用于植入式生物电子器件。

23、作为本发明所述应用的一种优选方案，其中：所述植入式生物电子器件包括心脏起搏器、体内健康监测设备。

24、本发明有益效果：

25、本发明制备了一款可植入式、可3d打印的微型柔性生物安全性电池。传统的金属集流体和涂布法制备的电池，不具备柔性、生物安全性、患者植入后不能使用核磁之类的医疗仪器。本发明制备的电池使用可3d打印的无金属集流体浆料，结合一系列安全的电极材料和封装材料，使得电池具有无金属、可柔性、可图案化制备多种形状、生物安全性的特点。

1.一种可微纳制作的可植入微型生物安全性电池，其特征在于：所述可植入微型生物安全性电池包括无金属集流体、锂锡合金负极、正极片、封装外壳、隔膜与生物相容性电解液；

2.如权利要求1所述的可植入微型生物安全性电池，其特征在于：所述导电剂选自碳纳米管、石墨烯、炭黑、有机高分子导电剂中的至少一种；所述粘结剂为聚偏二氟乙烯，溶剂为n-甲基吡咯烷酮。

3.如权利要求1所述的可植入微型生物安全性电池，其特征在于：所述集流体浆料由含有分散剂的碳纳米管浆料、多壁碳纳米管粉末、聚偏二氟乙烯和n-甲基吡咯烷酮混合搅拌制成。

4.如权利要求1所述的可植入微型生物安全性电池，其特征在于：所述负极通过将锡浆料打印在集流体上制成锡极片，再与锂金属组装电池并放电至0.01v形成锂锡合金。

5.如权利要求1所述的可植入微型生物安全性电池，其特征在于：所述正极片的活性物质选自磷酸铁锂或氟化碳。

6.如权利要求1~5任一所述的可植入微型生物安全性电池的制备方法，其特征在于：包括，

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管浆料、碳纳米管粉末、聚偏二氟乙烯、n-甲基吡咯烷酮的质量比为：5.5:0.2:0.05:0.75；

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述3d打印的参数为：集流体参数为气压0.15~0.26mpa、移动速度为8mm/s，填充间隙为0.2~0.25mm；电极浆料参数为气压0.15mpa，移动速度3.2~9.0 mm/s。

9.如权利要求1~5任一所述的可植入微型生物安全性电池的应用，其特征在于：所述电池作为供能单元，应用于植入式生物电子器件。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于：所述植入式生物电子器件包括心脏起搏器、体内健康监测设备。