[發明專利]應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池及其制備方法

無效

• 申請號: 200910079671.0
• 申請日: 2009-03-16
• 公開（公告）號: CN101515655A
• 公開（公告）日: 2009-08-26
• 發明（設計）人: 尤政;王曉峰;張高飛;阮殿波
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01M10/30
• 分類號: H01M10/30;H01M10/28;H01M6/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 史雙元

1.一種應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池，其特征在于，所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池的結構為：在硅基體的表面采用微加工技術制備二維金屬平面梳齒結構作為集流體，以集流體為基礎在其上面分別制備三維空間結構金屬鎳微柱電極和金屬鋅微柱電極，在金屬鎳微柱電極表面通過電沉積方法生產氧化鎳，制備為活性正電極，微柱正電極表面沉積有氧化鎳活性物質；金屬鋅微柱電極用電沉積方法制備，金屬鋅微柱電極構成活性鋅負極，正負微柱電極之間填充覆蓋凝膠狀固態電解質，在上述結構表面覆蓋一層聚酰亞胺材料完成微型鋅鎳電池的封裝。

2.根據權利要求1所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池，其特征在于，所述梳齒狀二維平面金屬集流體采用光刻犧牲層方法制備，材質為金或鎳。

3.根據權利要求1所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池，其特征在于，所述三維金屬三維空間結構用電沉積方法制備。

4.根據權利要求1所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池，其特征在于，所述三維空間金屬鎳微柱電極高度為50微米～200微米。

5.根據權利要求1所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池，其特征在于，所述梳齒集流體厚度為10微米～30微米，梳齒寬度為50微米～100微米，梳齒間隙為50微米～100微米。

6.一種應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池的制造方法，其特征在于，包括梳齒平面金屬集流體制備、正極三維空間結構及正極活性物質制備、負極三維空間結構及負極活性物質制備、凝膠狀固態電解質制備、微電池封裝工序：

所述微型鋅鎳電池的梳齒平面金屬集流體采用“交叉梳齒狀電極陣列”結構代替傳統的“三明治疊加”結構，這種梳齒狀結構正負電極處于同一平面，通過大量微細梳狀三維空間結構微柱電極交叉，達到提高電極面積并降低電極間距之目的，梳齒寬度和間隙都小于100微米；“交叉梳狀電極陣列”采用單層結構，工藝復雜程度大大降低，便于大批量制備，有效解決“三明治疊層結構”固有的技術難題，所述梳齒狀金屬集流體制備的技術路線為：在硅基體上制備一層SiO₂?絕緣層，在其上通過掩膜的方法或光刻方法繪制出梳狀交叉金電極基體陣列的圖形，然后采用濺射方法在其上制備一層金薄膜或鎳薄膜，然后將上述硅基片浸到能熔解光刻膠的氯苯顯影液中，最終形成了梳齒集流體平面結構；在已完成的二維平面梳齒結構上旋涂一層厚光刻膠作為掩蔽層，掩蔽層厚度不大于200微米，在其上圖形化并經曝光、洗膠處理后獲得孔洞結構，孔洞結構保證了二維平面金屬集流體與外部空間的貫通，將此孔洞作為掩模；

所述正極三維空間結構及正極活性物質制備的技術路線為：采用電沉積方法制備鎳基三維微柱結構，將上述集流體和鎳輔助電極組成電解池，正集流體接外部電源負極，鎳輔助電極接外部電源正極，體系浸漬在鎳基電鍍液中完成電沉積，此時集流體的上部光刻膠層孔洞中充滿了沉積的鎳金屬，得到正極三維空間結構微柱電極；采用恒流陰極還原法在正集流體制備氧化鎳電極活性物質，即將上述三維結構鎳電極的一極作為工作電極，鎳片輔助電極作為另一極形成雙電極系統，將雙電極置于硝酸鎳及氯化鎳組成的復合電沉積反應液中，對雙電極通以穩定電流，在陰極上沉積出正極活性物質氧化鎳；

所述負極三維空間結構及負極活性物質制備的技術路線為：采用電沉積方法制備鋅基三維微柱結構，將上述集流體和鋅輔助電極組成電解池，負集流體接外部電源負極，鋅輔助電極接外部電源正極，體系浸漬在鋅基電鍍液中，通以穩定電流完成電沉積，此時負集流體的上部光刻膠層孔洞中充滿了沉積的鋅金屬，得到負極三維空間結構微柱電極；鋅金屬結構本身也作為鋅鎳電池的負極活性物質；

所述微電池封裝工序是上述梳齒平面金屬集流體制備、正極三維空間結構及正極活性物質制備和負極三維空間結構及活性物質制備工藝后得到活性正負電極的三維空間結構微柱電極陣列，在三維空間結構微柱電極陣列正負微柱電極之間填充覆蓋凝膠狀固態電解質，得到三維結構微型鋅鎳電池，然后在三維結構微型鋅鎳電池結構表面覆蓋一層聚酰亞胺材料完成微型鋅鎳電池的封裝。

7.根據權利要求6所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池的制造方法，其特征在于，所述正極三維空間結構及負極三維空間結構制備完成后，將空間結?構之間的光刻膠徹底洗除干凈。

8.根據權利要求6所述應用于微系統的三維結構微型鋅鎳電池的制造方法，其特征在于，所述凝膠狀固態電解質制備工藝為：將聚乙烯醇和羧甲基纖維素鈉混合放在蒸餾水加熱溶解，再于溶解后的混合物中加入氫氧化鉀KOH或氯化鉀KCl溶液，充分攪拌成高粘性的均一溶液靜置脫泡后，將粘性溶液涂覆或滴在沉積活性電極上，使其在室溫下蒸發多余水分，自然干燥成膜，與單獨使用聚乙烯醇相比，聚乙烯醇和羧甲基纖維素鈉共混以改善該聚合物電解質膜的保濕性和機械性能，使電解質膜在空氣環境中放置時不至于深度失水而產生皺縮、變脆現象，并使聚合物膜中能夠溶解更多的電解質鹽，從而提高電解質膜的電導率，解決了液態電解質易揮發，注液工藝復雜的缺點，最終有效延長微能源器件的工作壽命。?