阅读说明：本技术 包括超级电容器之可穿戴式电子装置 (Wearable electronic device including a supercapacitor ) 是由 休·利亚姆·萨瑟兰 斯蒂芬·大卫·沃勒尔 于 2018-02-16 设计创作，主要内容包括：提供一种可穿戴式电子装置,其包含：一用于执行该装置之使用目的组件,包括一微处理器及一系带,藉由该系带该组件可被固定在穿戴者的身体上,该系带包括至少一个由含奈米碳之电极及/或离子液体电解质组成的超级电容器与一适于为了再充电而将一外部电源连接到该超级电容器的第一连接器。(Provided is a wearable electronic device including: a kit for performing the intended use of the device, comprising a microprocessor and a harness by means of which the kit can be secured to the body of a wearer, the harness comprising at least one supercapacitor consisting of nanocarbon containing electrodes and/or ionic liquid electrolytes and a first connector adapted to connect an external power source to the supercapacitor for recharging.)

包括超级电容器之可穿戴式电子装置

技术领域

本发明涉及一种改进的可穿戴式电子装置，例如手表，电话，监测器等。

背景技术

由电池诸如锂离子电池供电的可穿戴式电子装置在本领域中是已知的。举例而言，KR20160129512描述一种电池供电的腕戴式电子设备，其包括：一主体，其具有显示在其一个表面上的至少一项信息且具有一用于电连接的第一连接端子；一带单元，包括可挠性电池和电连接至该第一连接端子的第二连接端子；一底座，其设置在该带部分之长度中间以便第二连接端子暴露在外；以及一电路单元，用于由可挠性电池向主体供应电力或者控制一电连接以从外部向可挠性电池供电。

US20130222271揭露一种可穿戴式电子装置，其包括用于改变其所收集之数据的呈现的侦测器。该专利申请案本身主要以使用锂离子电池作为唯一电源为目标，但一般性教示该电池可以用电化学超级电容器取代，而未具体说明其确切性质或如何实现。此外，该案并未教示若使用一锂离子电池用一额外的储电器来对电池涓流充电。

同样地，WO2016033263在图1A和1B中绘示一可穿戴式电子装置，其设计在系带24C和24D中包含空隙，其可容纳锂离子电池，超级电容器或超电容器作为替代电源。又一次所使用的超级电容器类型未被详述，且未教示使用一额外的超级电容器作为储电器来对电池涓流充电。

发明内容

依据本发明，提供一可穿戴式电子装置，包含：

一用于执行该装置之使用目的组件，包括一微处理器及

一系带，藉由该系带该组件可被固定在穿戴者的身体上

特征在于该系带包括至少一个由含奈米碳之电极及/或离子液体电解质组成的超级电容器与一适于为了再充电而将一外部电源连接到该超级电容器的第一连接器。

如下所述，组件和系带可以是装置的单独可互连组件，或者组件可以形成一整体部分的系带。系带可以在一端或两端连接到组件，或者组件可以整合至系带自身中。

在一个实施例中，该组件包括电池，例如锂离子电池，或者为便于电池更换目的而可将电池置入其中的空隙。在另一个实施例中，电池被包括在系带内或可单独附接到系带。在又一个实施例中，该设备不包括电池且组件由超级电容器直接供电。

该组件可进一步包括用于侦测与测量穿戴者之身体特征的监视组件。实例包括用以测量穿戴者的脉搏数，血压，呼吸特征，体温以及对医疗或个人健身目的有用的其他类似参数中的一个或多个的监测器。在另一个实施例中，监测器例如可包含使得组件能够作用为一计步器的运动传感器。在又一个实施例中，该组件可包含时钟，GPS单元中之一或一者以上，或者它可以执行智能型手机或可携式媒体播放装置的任何习知通信和数据传送功能。

微处理器适当地包含一芯片且该组件进一步包括一显示器，藉由该显示器可向穿戴者提供信息。在一个实施例中，此可为一屏幕，其可以是刚性的或可挠性的；例如触敏屏幕，由LED等背光照明。另一方面，显示器可以只是包含一个或一系列闪光灯或声音警报以警示穿戴者。在又一个实施例中，该组件将具有蓝牙及/或Wi-Fi功能及/或GPS或行动通信或数据传送能力。该组件可以设置有按钮或触敏区域以使穿戴者能够执行该装置所被设计的任务。

关于系带，本发明的一特征在于包括一个或多个超级电容器单元，其可以向电池提供涓流充电或者直接向装置供电。这些超级电容器单元特征在于包括含奈米碳的电极及/或离子液体电解质。在一个实施例中，它们是由我们所销售之类型为「Carbon-IonTM电池」或其同等的「碳离子」电池的高性能超级电容器，惟此一名称不应被解释为限制性的。此种含奈米碳电极与离子液体电解质的配置已教示于https://www.zapgo.com/wp-content/uploads/2016/09/Carbon-Ion-a-new-category-of-energy-storage-devices-Technical-White-Paper.pdf。

在另一个实施例中，使用于本发明装置中的超级电容器包含以使用不燃性电解质为特征的单元。这里使用的术语「不燃性」意指电解质在能量包所遇到的正常操作条件下不容易着火和燃烧，对于可能发生之非计划温度偏离具有一误差边际容差（1至5％），例如在能量供应/充电期间或可能在使用环境内发生的任何异常的情况。

在另一个实施例中，所使用的电解质为选自一烷基或经取代烷基吡啶鎓、哒嗪鎓、嘧啶鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、哌啶鎓、吡咯烷鎓、吡唑鎓、噻唑鎓、恶唑鎓或***鎓阳离子的低熔点盐所组成之群组。在这种情况下，较佳的是，相对阴离子是大的、多原子的，且具有超过50或100埃的凡得瓦体积（参见例如US5827602，其提供指引读者的说明性实例且此设想是在我们的发明范围内）。在一个实施例中，该相对阴离子例如选自四氟硼酸盐，六氟磷酸盐，二氰胺，双（氟磺酰基）亚胺（FSI），双（三氟甲基磺酰基）亚胺（TFSI）或双（全氟C₂至C₄烷基磺酰基）亚胺，例如，双（全氟乙基磺酰基）亚胺阴离子。在另一个较佳的实施例中，离子液体选自这些阴离子的C₁至C₄烷基取代咪唑鎓，哌啶鎓或吡咯烷鎓盐，其中上述阳离子和阴离子的任何置换系具体设想如本文所揭露。基于这些盐类的具体非限制性实例包括1-乙基-3-甲基-咪唑（EMIM）双（氟磺酰基）亚胺盐，1-乙基-3-甲基-咪唑双（三氟甲基磺酰基）亚胺盐；1-乙基-3-甲基咪唑双（全氟乙基磺酰基）亚胺盐；1-甲基-1-丙基吡咯烷双（氟磺酰基）亚胺盐；1-甲基-1-丁基吡咯烷双（氟磺酰基）亚胺盐；1-甲基-1-丙基吡咯烷双（三氟甲基磺酰基）亚胺盐；1-甲基-1-丁基吡咯烷双（三氟甲基磺酰基）亚胺盐；1-乙基-3-甲基-咪唑六氟磷酸盐：1-乙基-3-甲基-咪唑二氰胺盐；1-甲基-1-丙基吡咯烷六氟磷酸盐：1-甲基-1-丙基吡咯烷二氰胺盐；1-甲基-1-丁基吡咯烷六氟磷酸盐或1-甲基-1-丙基吡咯烷二氰胺盐。

可以使用的电解质的较佳实例包括衍生自以下阳离子的盐或盐的混合物；1-乙基-3-甲基咪唑鎓（EMIM），1-丁基-3-甲基咪唑鎓（BMIM），1-甲基-1-丙基吡咯烷鎓，N，N-二乙基-N-甲基-N-（2-甲氧基乙基）铵（DEME），1-甲基-1-丁基吡咯烷鎓和阴离子四氟硼酸盐，双（氟磺酰基）亚胺（FSI），双（三氟甲基磺酰基）亚胺。

这种类型的超级电容器，单独或组合地，适当地应能够储存至少1000F（法拉）的电容，较佳地至少2000F，最佳地为3000F或更高。在一个实施例中，它们将单独或组合地输出至少1000mAh历时至少15分钟；例如15至60分钟；或者选择性地60分钟或更长时间。他们应该最好也能够在至少2.0v的电压下工作；例如在选择范围2.7至7v，3至7v或者选择性地甚至在7v以上。

在本发明的一个较佳实施例中，每个超级电容器单元使用由一阳极和一阴极组成的含碳电极；每一个电极基本上由覆盖有一由碳电荷承载组件组成之层的一薄可挠性片（例如铝，银或铜箔）形式的导电金属电流收集器组成。在一替代实施例中，该层基本上是独立式的且除去金属电流收集器。在又一个实施例中，至少一些电荷携带组件是平均最长尺寸小于1微米，较佳小于100奈米的碳粒子。较佳地，这些粒子呈现介孔性，介孔的尺寸范围为2-50奈米。在另一个实施例中，碳电荷携带组件可以藉由能够赋予超级电容器单元一定程度拟电容行为之材料的奈米粒子来增补；例如盐类，金属如锂或具有多于一种氧化态之过渡金属，包括镍，锰，钌，铋，钨或钼的盐类、氢氧化物和氧化物。

在一个较佳实施例中，该层或独立式电极由嵌入在一导电聚合物黏合剂基质中的碳粒子组成，且其特征在于该粒子与该黏合剂的重量比在0.2：1至20：1的范围内。在另一个实施例中，至少一些碳粒子是奈米粒子，例如石墨烯粒子或奈米碳管。在一个实施例中，石墨烯和奈米碳管的混合物与也存在的活性碳一起使用。在另一个合适的实施例中，碳粒子包含这三种组分的活性碳、奈米碳管和石墨烯以0.5-2000：0.5-100：1，较佳0.5-1500：0.5-80：1之重量比存在的混合物。

活性碳一词意指任何高纯度的非晶碳（小于1000ppm金属或金属盐杂质），其表面积通常大于500m2g-1，较佳为1000至3600m2g-1且其具有小于或等于10微米的平均粒度。这些材料容易从许多商业来源获得。所所用的奈米碳管通常具有2-500微米（较佳100-300微米）的平均长度和100-150奈米的平均直径。奈米管可以是单壁或多壁的或两者的混合物。

石墨烯一词意指其粒子在结构上基本上是二维之碳的同素异形体。在极端情况下，这些粒子包含具有石墨结构的单原子层薄层，惟对于本发明的目的而言，该组分可以包括少量此种一层堆栈在另一层之上的薄层，例如，1至20个薄层，较佳1至10个薄层。在一个实施例中，这些薄层系处于非氧化形式。另一方面，以穿透电子显微术测量，薄层独立地具有1至4000奈米，较佳20至3000或10至2000奈米的平均尺寸。可以使用任何已知的方法来制造此种材料亦可商购该材料；例如，英国Thomas Swann Limited所售名称Elicarb＠者。

在另一个实施例中，碳电极组分将进一步包含高达20重量％，较佳1至20重量％的导电碳。合适的是，该导电碳包含具有多晶结构和表面积为1至500m2g-1的高导电非石墨碳。在一个实施例中它是碳黑；例如，以前曾用作锂离子电池中导电添加剂的材料之一（例如TimcalSuperC65®及/或Timcal SuperC45）。

在一个实施例中，制造后电极中的残留水分应小于400ppm；较佳小于200ppm；最佳小于100ppm之重量。

关于导电黏合剂，其适合由一或多种导电聚合物组成，且较佳选自纤维素衍生物，聚合物弹性体或其混合物。在一个实施例中，纤维素衍生物是羧烷基纤维素，例如羧甲基纤维素。在另一个实施例中，弹性体是苯乙烯-丁二烯橡胶或具有等同性质的材料。

适当地是层中各种碳组分的总电荷承载表面积为>250m2g-1，较佳>260m2g-1。

在又一个实施例中，含碳阳极和阴极彼此不对称；换言之，它们具有不同的厚度-例如不同厚度的层。

超级电容器电池进一步包含设置在电解质内并将阳极与阴极隔开的离子渗透膜。

在一个实施例中，系带可进一步包括指示灯，用于向穿戴者显示超级电容器被充电的程度。另一方面，连接到组件的系带末端可包括确保DC电流以正确的速率被涓流供电到组件及/或电池的电子器件。然而应理解的是，这些电子器件亦可被安置在组件本身。

如果系带未被永久固定到组件上，则一端可以包括第二连接器，该第二连接器设计成与位于组件上的对应组件配合。在一些情况下，此一实施例可以是高度有利地使得该设备能够更换系带。因此，在本发明的一个实施例中，提供一与一对应之组件一起使用的系带以创建依据本发明的可穿戴式装置，其特征在于该系带包括至少一个超级电容器或超电容器或电化学电容器或双电层电容器（EDLC）或Carbon-IonTM电池；一第一连接器使系带能够连接到电力源的以及一第二连接器适于与组件上的一对应组件配合。

一个连接器经修改使其可将超级电容器连接到一外部电源。通常这是一个直流电源，例如计算机或笔记本电脑上的主动USB或Lightning埠。第一连接器可藉由磁体保持就位。或者，DC电源可以采取具有整合AC/DC转换器和第一连接器插座或插头配置的主电源单元的形式。在这两种情况下，第一连接器适当地是一USB，micro-USB或Lightning插头或插座（视情况而定）或为类似供电任务而创建的替代设计。或者，可以修改系带使其能够快速感应充电；例如藉由使其具有第一连接器，该第一连接器可以简单地放入到此种感应充电可以发生的座中。

系带的尺寸和形状取决于设备的预定使用位置，并且在一定程度上取决于组装所需的工作。例如，可以设想系带将以各种形式和设计出现，这些形式和设计可以使其能够舒适地穿戴在手臂，手腕，腿，脚踝，腰部，胸部甚至使用者的头部周围。在另一个实施例中，系带及/或组件可以附接到或整合至一件衣服中。在一个实施例中，系带可进一步包括可调节的紧固件以将其牢固地保持在适当位置。另一方面，它可以由诸如塑料之类的材料制成，其弹性使其能够偏压就位。

系带可以戴在手腕或手臂周围，或者附接到衣服上或用于携带一袋子，箱子，帆布背包或旅行袋或类似物品。

如果需要，可以装饰系带及/或组件以改进装置的美学外观或者进一步改进其功能。

现在以下文说明依据本发明的一装置。

附图说明

图1为一设计用来穿戴在一穿戴者之手腕及/或下臂周围的装置的立体图。

具体实施方式

在附图中，一被设计成穿戴在穿戴者的手腕及/或下臂周围的装置包含具有薄立方体外观的组件1，其前表面上设置有LED显示屏幕2和操作按钮3。 1的内部（未示出）包括（a）一附接到2和RAM储存区的微处理器芯片，（2）一可从后面放入钮扣电池锂离子电池的空隙，以及（3）一心率监测器，时钟和Wi-Fi单元，也包括辅助电子器件，包括一种使电池能够从永久连接的螺旋状系带4被涓流供电的装置，该螺旋状系带4的内径对于人的手臂和手足够宽而能藉由滑动及施加偏压而导入。4具有一复合结构，包含内和外塑料层5，6，其间夹有与这些层具有相同形态的薄超级电容器7。7的一端与1内的电子器件电接触，且另一端设有USB插头第一连接器8。8可被连接到独立的AC/DC转换器插头9，该插头9设有USB插座10并设计成***到传统的电源墙壁插座。5配备有连接到7的显示条11，且其包括一系列LED指示灯12，该LED指示灯12在7充电或被放电时被逐渐照亮/熄灭。