[發明專利]一種采用倒金字塔陣列結構的三維全固態微型薄膜鋰電池

在審

• 申請號: 201410380855.1
• 申請日: 2014-08-05
• 公開（公告）號: CN104134816A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 郭航;林杰;郭建來;劉暢
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M10/052
• 分類號: H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及鋰電池，尤其是涉及一種采用倒金字塔陣列結構的三維全固態微型薄膜鋰電池。

背景技術

當今，隨著微機電系統(MEMS)的迅速發展，外接電源已無法滿足日益增長的微型化、集成化需求。微型薄膜鋰電池由于其尺寸靈活、安全和高能量密度等優點，在微能源中脫穎而出。然而現有的全固態薄膜鋰電池大部分都局限在二維平面內([1]K.F.Chiu,C.C.Chen,K.M.Lin,H.C.Lin,C.C.Lo,W.H.Ho,C.S.Jiang,Vacuum,84(2010)1296-1301；[2]J.F.Whitacre,W.C.West,B.V.Ratnakumar,J?Electrochem?Soc,150(2003)A1676；[3]B.J.Neudecker,N.J.Dudney,J.B.Bates,J?Electrochem?Soc,147(2000)517-523)，空間利用率低，即使是已有的三維薄膜鋰電池，通常結構復雜、工藝要求較高([4]L.Baggetto,R.A.H.Niessen,F.Roozeboom,P.H.L.Notten,Adv?Funct?Mater,18(2008)1057-1066；[5]L.Baggetto,H.C.M.Knoops,R.A.H.Niessen,W.M.M.Kessels,P.H.L.Notten,J?MaterChem,20(2010)3703)，大部分采用的矩形或柱狀三維結構([6]M.Kotobuki,Y.Suzuki,H.Munakata,K.Kanamura,Y.Sato,K.Yamamoto,T.Yoshida,J?Electrochem?Soc,157(2010)A493；[7]D.Golodnitsky,V.Yufit,M.Nathan,I.Shechtman,T.Ripenbein,E.Strauss,S.Menkin,E.Peled,J?Power?Sources,153(2006)281-287)，不易與微電子工藝結合，往往只是單個電極或需要加電解液([8]K.Yoshima,H.Munakata,K.Kanamura,J?Power?Sources,208(2012)404-408；[9]T.Ripenbein,D.Golodnitsky,M.Nathan,E.Peled,Electrochimica?Acta,56(2010)37-41)，從而沒有真正微型化、固體化全電池，而且很少有研究者考慮電路的平面設計，將薄膜電池的上電路引線至基底面進行封裝。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種采用倒金字塔陣列結構的三維全固態微型薄膜鋰電池。

本發明設有基片、絕緣膜、陰極集流體、下層陽極集流體、陰極膜、固體電解質膜、陽極膜和上層陽極集流體；

所述絕緣膜設在基片上，陰極集流體和下層陽極集流體設在絕緣膜上，陰極膜設在陰極集流體上，固體電解質膜覆蓋在陰極膜上，陽極膜設在固體電解質膜上，上層陽極集流體設在陽極膜和下層陽極集流體上。

三維結構是利用SiO₂當掩蔽層，用KOH溶液對<100>晶向的硅做各向異性腐蝕而得到。

所述基片可采用<100>晶向的硅片，所述絕緣膜可采用SiO₂膜或Si₃N₄膜，所述陰極集流體、下層陽極集流體和上層陽極集流體可采用Pt、Au、Ni、Cu或Al，所述陰極集流體、下層陽極集流體優選Pt，上層陽極集流體優選Cu。

所述陰極膜可采用鋰膜或金屬的氧化物膜，優選LiCoO₂薄膜；所述固體電解質膜為LiPON膜或改性的LiPON膜，優選LiPON薄膜；所述陽極膜可為金屬或金屬氧化物膜，優選SnO_x薄膜。

所述陰極膜的面積可為0.1～1mm²，厚度可為0.1～2μm，優選面積0.65mm×0.8mm、厚度0.6μm；所述固體電解質膜的厚度可為0.1～2μm，優選0.6μm；所述陽極膜的厚度可為0.1～2μm，優選0.2μm。

所述陰極膜在氧氣或者空氣中進行300～1000℃退火處理，優選700℃退火處理。

所述絕緣膜可通過氧化法或者化學氣相沉積法制備；所述陰極集流體、下層陽極集流體、陰極膜、固體電解質膜、陽極膜和上層陽極集流體均可通過磁控濺射法或脈沖激光沉積法制備。