[發明專利]一種新型三維鋰離子電池的構建方法

有效

• 申請號: 201010523223.8
• 申請日: 2010-10-28
• 公開（公告）號: CN102456926A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發明（設計）人: 王連衛;劉濤;張華艷;王振
• 申請（專利權）人: 華東師范大學;上海學子科技創業有限公司
• 主分類號: H01M10/058
• 分類號: H01M10/058;B81C1/00
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 吳澤群

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池的構建方法，具體為一種新型三維鋰離子電池的制備方法。屬于微電子工藝制作領域。

背景技術

鋰離子電池已廣泛應用于移動電話、筆記本電腦等便攜式電器中，深受廣大用戶的鐘愛，在未來的電動汽車也有著非常好的應用前景，必將對未來人們的生活產生深刻的影響。鋰離子電池的電容量及循環性能不斷得到提高，容量更大、質量更輕、體積更小、厚度更薄、價格更低的鋰離子電池不斷地被推向市場。新的電極材料及電解質材料不斷開發出來，它們具有容量大、價格低、無環境污染、使用安全等優點。信息時代使對移動電源的需求快速增長；隨著物聯網研究的深入，鑲嵌于一些射頻標簽(RFID)中的微型電源也已經十分必要。對于車用動力，由于較慢的電池充電速度和安全問題，目前電動汽車也未能實用化。

鋰離子電池的發展主要面臨兩方面的挑戰，一是安全性的保證；二是電池的性能的提高。由于電池的比能量高，且電解液大多為有機易燃物等，當電池熱量產生速度大于散熱速度時，就有可能出現安全性問題。而提高鋰離子電池性能，就必須提高鋰離子電池的充電速度和能量密度。目前的途徑包括采用新型電極材料和采用新型電池結構。在采取新型電池結構方面，三維結構的研究尤為重要。因為其在總電流提高的情況下，電流密度并未提高，因此仍然比較安全；并且，如果大型系統中采用三維結構的鋰離子電池，在同等容量下，由于其總電流大大增加，其充電時間可大大減少。對于車用動力，如果能夠使用這樣的三維結構鋰離子電池，其帶給人們的好處是不言而喻的。早在2003年，人們就設想了柱狀電極交互排列的三維微電池結構，并對按幾種不同方式排列的正負極構成的三維電池進行了仿真。次年，在美國海軍研究所的支持下，美國加州大學開展了利用C-MEMS(石墨微機電系統)進行三維微電池的研究。以色列科學家也報道了以玻璃微通道板(MCP)作為架構制作的三維鋰離子電池。在剛剛結束的在香港召開的IEEE?MEMS?2010會議上，美國加州大學B.Dunn還作了關于三維微電池的邀請報告。

但是，以上等人的三維結構的構建基本上基于干法刻蝕，如反應離子刻蝕等昂貴的設備，或是需要復雜的工藝，而且所得微通道的深寬比不高，這就嚴重限制了鋰離子電池的制作成本，并且限制了三維結構的比表面積。因此，開發低成本，高深寬比的三維結構，以構建新型三維鋰離子電池迫在眉睫。

發明內容

本發明的目的是為了提供一種新型三維鋰離子電池的制備方法，以解決現有技術的上述問題。探索一條工藝簡單、生產成本低且能顯著提高鋰離子電池充放電速度和能量效率的途徑，并將電化學刻蝕制備硅微通道的方法與鋰離子電池的制備方法結合起來，研究出一種新型三維鋰離子電池的架構。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現。

一種新型三維鋰離子電池的制備方法，其具體步驟如下：

1)硅微通道板的制備：采用電化學刻蝕方法，結合硅微通道在電化學刻蝕中的自分離現象，得到規則完整的硅微通道板。實驗裝置為自主研發的特富龍塑料制作的臥式刻蝕裝置，具體見專利ZL2004?1?0099139.2，其他還有循環冷凍機、鹵素燈組和LabVIEW光輔助刻蝕程序，試劑均為常見試劑。

2)鎳金屬層的制備：采用無電電鍍方法，先將硅微通道進行預處理程序。利用鎳鹽溶液在強還原劑的作用下使鎳還原為金屬鎳，在硅微通道的表面和側壁得到鎳沉積層。化學鍍鎳鍍液成分包括：六水合硫酸鎳5-10g、硫酸銨1-3g、氟化銨10-12g、0.1％的Triton?X-100水溶液1ml、十二烷基硫酸鈉0.3-1g、檸檬酸鈉3-6g、去離子水50ml。該方法簡便，工藝成熟，成本低廉。需要說明的是，在隨后磷酸鐵鋰的制作過程中包含退火這一步，此時，金屬鎳亦同時和襯底硅反應形成二硅化鎳。

3)磷酸鐵鋰正極材料的制備：采用溶膠凝膠方法，將1-3g檸檬酸、6-8gFe(NO₃)·9H₂O、1-2g?LiOH·H₂O、5-10g?NH₄H₂PO4混合、加熱、蒸發得到磷酸鐵鋰溶膠。經過反復的涂膠、甩膠、真空吸附、干燥，在三維結構上得到一層具有一定厚度的磷酸鐵鋰凝膠。最后經過高溫熱處理，得到磷酸鐵鋰薄膜，同時上述步驟中的鎳金屬層與硅微通道板反應生成電阻率同樣很低的二硅化鎳以作為電池正極的電流收集極。該方法成本低廉，而且能達到較好的沉積覆蓋目的。