一种基于微流控技术的纸基电池装置的制作方法

本发明涉及微流控技术领域和纸电池技术领域，具体是一种基于微流控技术的纸基电池装置与方法。

背景技术：

电池是电子产品供电的主要能量源，尤其是干电池和蓄电池等，然而一旦这些电池不能再被使用，由于不可回收的特点，其残骸中的汞和重金属物质会产生污染，废电池的回收和处理难以完善。因此，为了从根本上解决电池的难以回收性，需要一种可回收、可降解的电池。中国发明专利申请号为cn02274195.x的文献中提出了一种纸电池，其采用纸或塑料做基底，基底上涂印金属锌负极层和由电解二氧化锰、石墨组成正极与氯化氨、氯化钙、氯化锌、墨水组成电解质的混合层，利用原电池反应原理发电，其不含汞和铅，有利于环保，但该纸电池不易回收，发电时间较短，自动化程度低，反应后只能输出1.5v电压。

技术实现要素：

本发明针对目前纸电池存在的缺陷，提出了一种基于微流控技术的纸基电池装置，发电时间长，自动化程度高，可回收和再利用，能够输出3.3v和5v电压。

本发明一种基于微流控技术的纸基电池装置采用的技术方案是：具有多个相同的芯片组，多个芯片组的一侧设有液缸、气泵和电磁阀，另一侧设有集线器和恒压模块，液缸的出口通过微流控管道分别连接且连通多个气泵的进口，每个气泵的出口连接且连通一个芯片组的进口，每个气泵的进口处装有一个电磁阀，每个芯片组都连接一个阳极电极片和一个阴极电极片，阳极电极片由一根阳极分线接入集线器的输入端，阴极电极片由一根阴极分线接入集线器的输入端，集线器的输出端与恒压模块相接。

进一步地，每个芯片组都由从上到下的进样疏水层、反应层、扩容层、废液储蓄层和隔离疏水层共五层微流控纸芯片贴合固定在一起组成，进样疏水层和反应层上开两个与气泵相通的进样口。

进一步地，反应层的正中间有六级反应区，反应层上的两个进样口分别连接且连通一个进液缓冲通道的进口，两个液缓冲通道的出口有六个分支，第一个分支直接连接第一级反应区的对应侧端，其余五个分支依次分别串接有数量从1至5逐次递增的蓄液延时块，经对应数量的蓄液延时块连接对应级反应区的对应侧的两端；每个液缓冲通道的出口的分支上连接的蓄液延时块构成一个蓄液延时区，每个蓄液延时区与对应的反应区之间连接的是延迟通道，与第二级至第六反应区相连接的延迟通道的长度逐次递增。

进一步地，扩容层的正中间是反应扩容区，反应扩容区和反应层上的六级反应区上下对应，反应扩容区的大小和六级反应区整体的外轮廓大小一致；反应扩容区的两侧分别设有五个储液扩容区，五个储液扩容区和反应层上的五个蓄液延时区一一对应，位于对应的蓄液延时区的正下方，储液扩容区和对应的蓄液延时区的外形轮廓大小一致。

进一步地，每个芯片组中的进样疏水层和反应层之间都夹有一个阳极电极片和一个阴极电极片，阳极电极片和阴极电极片贴合在反应层上，每个阳极电极片和阴极电极片都是由六段超薄片连接组成，阳极电极片和阴极电极片的六段超薄片均与反应层上的六级反应区一一对应地贴合，阳极电极片和阴极电极片分别位于六级反应区的两侧且与六级反应区相接触。

进一步地，集线器包括阳极并线板、阴极并线板，阳极并线板和阴极并线板上分别安装有两个多路开关，阳极分线与阳极并线板上的两个多路开关相连，阴极分线与阴极并线板上的两个多路开关相连，多个芯片组中，与一半数量的芯片组对应的阳极分线连接阳极并线板上的第一个多路开关，与另一半数量的芯片组对应的阳极分线连接阳极并线板上的第二个多路开关；与一半数量的芯片组对应的阴极分线连接阴极并线板上的第一个多路开关，与另一半数量的芯片组对应的阴极分线连接阴极并线板上的第二个多路开关；阳极并线板上的第一个多路开关连接3.3v电压阳极输出线、第二个多路开关连接5v电压阳极输出线，3.3v电压阳极输出线和5v电压阳极输出线经第一个双向切换开关连接阳极总线；阴极并线板上的第一个多路开关连接3.3v电压阴极输出线、第二个多路开关连接5v电压阴极输出线，3.3v电压阴极输出线和5v电压阴极输出线经第二个双向切换开关连接阴极总线。

进一步地，恒压模块是包含有控制器的稳压电路，控制器通过控制线连接每个双向切换开关、每个多路开关、每个电磁阀和每个水泵。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1.本发明能够产生提供电子设备工作的电压，输出电压有3.3v和5v两个档位，微流控芯片组能根据实际档位设置自动选择性发电，避免了资源的浪费，提高了装置的自动化程度。

2.本发明采用纸芯片制作电池，具有可回收再利用的优势，具有微流体技术优势，在确保电池的续航能力的同时，大大延长了电极反应时间。

3.本发明利用纸基微流控芯片特有的毛细管道自主输送补充消耗的溶液，有利于活化剂以及电解质的吸收与存储。

4.本发明采用流动反应技术，和静置反应相比，能使电极反应更加充分，保证了供电的稳定性。

5.本发明中的微流控芯片采用带有不同面积储液区的滞后通道，使各反应区分时工作，在芯片组反应的过程中，有多层结构嵌套交替反应，使反应交叉耦合进行，延长发电时间，续航能力强。

6.本发明采用固体蜡打印技术，并加以烘烤，使蜡完全渗入纸张，可以容易地用疏水蜡图案化微流体通道。

7.本发明可以定期多次反复添加电解质，提高了装置的重复利用性。

8.本发明加入恒压模块，能对输出电压加以控制，实时监测电压输出情况，并自主加以调节，保证电压的输出稳定，与电子电路结合，提高装置的自动化程度。

附图说明

图1是本发明一种基于微流控技术的纸基电池装置的总体结构示意图；

图2是图1中单个芯片组43的立体结构示意图；

图3是图2中进样疏水层1的俯视图；

图4是图2中反应层2的俯视放大图；

图5是图2中扩容层3的俯视放大图；

图6是图2中废液储蓄层4的俯视图；

图7是图2中隔离疏水层5的俯视图；

图8是图1中阳极电极片14的结构放大图；

图9是图1中阴极电极片31的结构放大图；

图10是图1中微流控管道17、单个水泵18与单个芯片组43的连接结构放大示意图；

图11是图1中液缸24的内部结构放大示意图；

图12是图1中集线器26的内部结构放大示意图；

图13是图12中电压转化电路连接控制示意图；

图14是图1是恒压模块34内部结构放大示意图。

附图中各部件的序号和名称：

1.进样疏水层；2.反应层；3.扩容层；4.废液储蓄层；5.隔离疏水层；6.粘合剂涂层；7.进样口；8.储液扩容区；9.反应扩容区；10.储液延时块；11.反应区；12.进液缓冲通道；13.延迟通道；14.阳极电极片；15.阳极分线；16.阴极分线；17.微流控管道；18.水泵；19.支架；20.进样锥；21.液塞；22.加液管；23.气囊；24.液缸；25.气塞；26.集线器；27.阳极并线板；28.阴极并线板；29.阳极总线；30.阴极总线；31.阴极电极片；32.电磁阀；33.固定支架；34.恒压模块；35.转换器；36.正极输出线；37.负极输出线；38.3.3v电压阳极输出线；39.3.3v电压阴极输出线；40.5v电压阳极输出线；41.5v电压阴极输出线；42.电压挡切换开关；43.芯片组。

具体实施方式

参见图1，图1本发明装置具有多个相同的芯片组43，多个相同的芯片组43平行放置，图1中仅示出6个芯片组43。多个芯片组43的一侧设有液缸24、气泵18和电磁阀32，另一侧设有集线器26和恒压模块34。液缸24的出口连接且连通微流控管道17的进口，微流控管道17的出口分别连接且连通多个气泵18的进口，每个气泵18的出口连接且连通一个芯片组43的进口。每个气泵18的进口处安装一个电磁阀32，用于控制对应的气泵18的开关。气泵18、电磁阀32和芯片组43的数量相同且一一对应。每个芯片组43都连接一个阳极电极片14和一个阴极电极片31，阳极电极片14由一根阳极分线15接入集线器26的输入端，阴极电极片31由一根阴极分线16接入集线器26的输入端，集线器26的输出端与恒压模块34相接，集线器26和恒压模块34两者用固定支架33固定连接一起。在固定支架33上安装电压挡切换开关42。

参见图2所示的其中一个芯片组43，每个芯片组43都由从上到下的进样疏水层1、反应层2、扩容层3、废液储蓄层4和隔离疏水层5共五层微流控纸芯片贴合固定在一起组成。进样疏水层1和隔离疏水层5的材料为孔径1mm的滤纸#410，反应层2、扩容层3和废液储蓄层4的材料为孔径10mm的滤纸#1。五层微流控纸芯片大小一样，从上到下对齐放置，每两层之间使用粘合剂涂层6连接，用粘合剂喷涂夹持，以保证液体不泄漏，参见图3。

参见图3、4、5、6、7，在每层微流控纸芯片上，使用市售的固体蜡打印机（xeroxphaserprinter）制造具有疏水蜡边界（图中用黑色或灰色表示的区域）的亲水区（图中用白色表示的区域）。然后，将该蜡纸在150℃下加热2分钟，使蜡熔融并渗透纸，形成疏水性界面（图中的黑色或灰色区域），从而限定亲水区域（图中的白色区域），保证在润湿期间液体不会泄漏到设备外部。

参见图3和图4，进样疏水层1和反应层2上开两个圆形的进样口7，进样口7与气泵18相通。进样口7的深度直至下层的反应层2。粘合剂涂层6用于贴合固定五层芯片，防止液体的泄漏。

参见图4，反应层2的正中间有六级反应区11，它们分时耦合进行发电反应。六级反应区11相互平行对齐布置。反应层2上的两个进样口7位于六级反应区11的两侧，分别连接且连通一个进液缓冲通道12的进口，两个液缓冲通道12的出口有六个分支，两个液缓冲通道12的出口的第一个分支直接连接第一级反应区11的对应侧端，其余五个分支依次分别串接有数量从1至5逐次递增的蓄液延时块10，经对应数量的蓄液延时块10连接对应级反应区11的对应侧的两端。即：两个液缓冲通道12的出口的第二个分支经1个蓄液延时块10后再分别连接于第二级反应区11对应侧端，两个液缓冲通道12的出口的第三个分支经2个蓄液延时块10后再分别连接于第三级反应区11对应侧端，两个液缓冲通道12的出口的第四个分支经3个串接的蓄液延时块10后再分别连接于第四级反应区11对应侧端，两个液缓冲通道12的出口的第五个分支经4个串接的蓄液延时块10后再分别连接于第五级反应区11对应侧端，两个液缓冲通道12的出口的第六个分支经5个串接的蓄液延时块10后再分别连接于第六级反应区11对应侧端。这样，每个液缓冲通道12的出口的分支上连接的蓄液延时块10构成一个蓄液延时区，即六级反应区11的两侧各有五个蓄液延时区，由内而外依次布置。每个蓄液延时区与对应的反应区11之间连接的是弯曲通道，该弯曲通道是延迟通道13，与第二级至第六反应区11相连接的延迟通道13的长度逐次递增，以进一步保证电解液到达各级反应区11的分时性。

参见图4和图5，扩容层3的正中间是反应扩容区9，反应扩容区9的两侧分别设有五个储液扩容区8，五个储液扩容区8和反应层2上的由蓄液延时块10构成的蓄液延时区一一对应，位于对应的蓄液延时区的正下方，并且储液扩容区8和对应的蓄液延时区的外形轮廓大小一致，在反应层2和扩容层3贴合时，五个储液扩容区8和五个蓄液延时区上下对应，反应扩容区9和反应层2上的六级反应区11上下对应，反应扩容区9的大小和六级反应区11整体的外轮廓大小一致，从而增加纸芯片吸收与存储电解质溶液的面积，同时，可以起到过滤废液的作用，将反应后的废液通过微流控纸芯片的毛细管道自主导入下方的废液储蓄层4。

参见图6，废液储蓄层4除四周是粘合剂涂层6，其余部分都是亲水区域（图6中白色区域），其作用类似小水泵，吸纳储存废液，防止扩容层3纸芯片吸液饱和后，液流停滞。

参见图7的隔离疏水层5，隔离疏水层5整个芯片完全用疏水蜡图案化，隔离液体，防止溶液下渗。

参见图1、图4和图8、图9，每个芯片组43中的进样疏水层1和反应层2之间都夹有一个阳极电极片14和一个阴极电极片31，阳极电极片14和阴极电极片31贴合在反应层2上。每个阳极电极片14和阴极电极片3都是由六段超薄片连接组成，每两段超薄片之间的连接部分都较细。阳极电极片14和阴极电极片3的六段超薄片均与反应层2上的六级反应区11一一对应地贴合，阳极电极片14靠近六级反应区11左侧边缘并且与六级反应区11相接触，阴极电极片31靠近六级反应区11的右侧边缘并且与六级反应区11相接触，即阳极电极片14和阴极电极片3分别位于六级反应区11的两侧且与六级反应区11相接触，从而将2个电极片有效分离，保证反应正常进行。

每个阳极电极片14的输出端通过阳极分线15连接集线器26的输入端，每个阴极电极片31的输出端通过阴极分线16连接集线器26的输入端。

参见图1和10，在每个芯片组43的进样疏水层1上表面用粘合剂固定一个支架19，支架19上端安装水泵18，支架19的外形轮廓与水泵18相契合，水泵18的出口连接进样锥20的进口，进样锥20的出口呈圆锥状，进样锥20的出口透过进样疏水层1上的进样口7，放置在反应层2的进样口7上。在涂抹粘合剂后，进样疏水层1和反应层2贴合，进样锥20的出口在进样疏水层1的作用力下压在反应层2上，从而使进样锥20很好地固定在进样疏水层1和反应层2之间。

参见图1和图11，液缸24呈圆柱形，内部设有气囊23和加液管22。加液管22的顶端是液塞21，与液缸24相连，可以与外界相通。气囊23的的顶端是气塞25，与液缸24相连，可以与外界相通。液塞21和气塞25经按压可固定在液缸24上，用于阻断加液管22和气囊23与外界的连通。气囊25在液缸充满液体时会受到挤压而缩小，一旦液缸24内的液体减少，气囊25会膨胀，推动液缸24内的液体进入微流控管道17，使微流控管道17内的溶液得到补充。

参见图1、图12和图13，集线器26包括阳极并线板27、阴极并线板28，阳极并线板27和阴极并线板28上分别安装有两个多路开关。与阳极电极片14相连接的阳极分线15与阳极并线板27上的两个多路开关相连，与阴极电极片31相连接的阴极分线16与阴极并线板28上的两个多路开关相连。多个芯片组43中，与一半数量的芯片组43对应的阳极分线15连接阳极并线板27上的第一个多路开关，与另一半数量的芯片组43对应的阳极分线15连接阳极并线板27上的第二个多路开关。多个芯片组43中，与一半数量的芯片组43对应的阴极分线16连接阴极并线板28上的第一个多路开关，与另一半数量的芯片组43对应的阴极分线16连接阴极并线板28上的第二个多路开关。阳极并线板27上的第一个多路开关连接3.3v电压阳极输出线38、第二个多路开关连接5v电压阳极输出线40，并且3.3v电压阳极输出线38和5v电压阳极输出线40连接第一个双向切换开关，经同一个双向切换开关连接阳极总线29。阴极并线板28上的第一个多路开关连接3.3v电压阴极输出线39、第二个多路开关连接5v电压阴极输出线41，与阳极连接方式相似，3.3v电压阴极输出线39和5v电压阴极输出线41分别连接阴极并线板28上多路开关，同时连接同一个双向切换开关，经同一个双向切换开关连接阴极总线30。当改变多路开关的闭合状态和方向，可实现3.3v电压和5v电压输出。

参见图1、图13和图14，恒压模块34的输出端是正极输出线36和负极输出线37，作为本发明的电源总线，为电子设备提供电力。恒压模块34是由电容c、电感l、电压传感器和控制器组成的稳压电路。控制器经转换器35分别连接电容c和正、负极输出线36、37，控制器经信号线连接电压挡切换开关42，控制器还通过控制线连接双向切换开关和阳极并线板27和阴极并线板28上的多路开关，控制开关的切换。控制器还通过控制线分别连接每个电磁阀32，控制电磁阀32打开和关闭。控制器还通过控制线分别连接每个水泵18，控制水泵18的工作。

参见图1-14，本发明工作时，根据实际需要，手动将电压挡切换开关42拨到所需电压挡。打开气塞25，在气囊23中充满气体，塞紧气塞25。打开液塞21，用注射器通过加液管22往液缸24中注入电解质溶液，直到气囊23在液体的压力下被压缩至最小，液体注满液缸24，塞紧液塞21。控制器检测电压档切换开关42的状态，控制多路开关的切换。如果电压档切换开关42选择的是3.3v档，则只打开控制前三个芯片组43的三个电磁阀32，如果选择的是5v档，则只打开控制后三个芯片组43的三个电磁阀32，微流控管道17与水泵18连通，水泵18开始工作，将电解质溶液从液缸24导入进样锥20。当进样锥20充满时，关闭电磁阀32，水泵18停止工作。进样锥20中的电解质溶液通过进样口7流入进液缓冲通道12中。纸张的特性是：在没有外力的条件下，在同一孔径的纸张上，只有同一水平面的纸张吸收电解质溶液饱和后，才会将多余的电解质溶液向前推动。根据纸张的这一特性，电解质溶液能通过液流缓冲区平稳、快速地充满第一级反应区11。处于第一级反应区11的阳极电极片14和阴极电极片31由于与电解质溶液接触，开始反应发电。同时，由于纸的吸附性，会使电极片表面包裹着一层很薄的液体层，在这种情况下，电极片附近便不会产生浓度差，反应充分且迅速，离子浓度较低的废液通过反应扩容区9流入废液储蓄层4，新的溶液会自动进行补充，使新的反应持续不断地加入，形成一种流动反应。当第一级反应区11的反应大幅度降低时，溶液在经过储液延时块10、延迟通道13后，充满第二级反应区11，第二级反应区11开始反应。在反应的过程中，低段电极的衰弱配上高段电极的兴起，芯片的设计结构使它们在交叉耦合的阶段交接工作，级级互补，使电池产生一个平稳的电流。通过控制器控制调压，使实际电压输出值达到3.3v或5v。恒压模块34中的电压传感器测出实时的电压值，电压较高时，控制器作用，切换转换器35，使电容c充电，降低输出电压。当电压较低时，控制器作用，切换转换器35，使电容放电，补偿输出电压，从而为外部设备提供稳定的电压。