[發明專利]一種MEMS微型固態鋰離子電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201610128735.1
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN107170958B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 黃曉東;甘興鋒;黃見秋;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M10/0525;H01M4/1395;H01M10/058;B81B3/00;B81C1/00;B81C99/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發明公開了一種MEMS微型固態鋰離子電池及其制備方法。通過將鋰電池整理設置為MEMS懸臂梁結構，硅負極層在電池充放電時的體積變化引起MEMS懸臂梁結構發生彎曲變形，有效釋放和減小了由于硅體積變化在硅負極層內所引起的應力，降低了應力對硅負極層的損傷和破壞。本發明提供的MEMS微型固態鋰離子電池具有尺寸小、結構簡單、制作成本低、可靠性高、壽命長、能量密度高且具備在線檢測功能等優點。

技術領域

本發明涉及一種微型固態鋰離子電池及其制備方法，尤其涉及一種MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統)微型固態鋰離子電池及其制備方法。

背景技術

與鎳鎘或鎳氫等類型電池相比，鋰離子電池具有工作電壓高、比容量大、循環壽命長、無記憶效應及環境污染小等優點，因此在手機、筆記本電腦、植入性醫療器械及電動汽車等眾多領域得到廣泛應用。傳統的鋰離子電池采用液態電解質溶液，這些電解質溶液通常具有很高的活性，極易燃燒，并存在泄漏和由于工作溫度過高或短路引起爆炸的危險。采用固態電解質(采用固態電解質的鋰離子電池稱為固態鋰離子電池)代替電解質溶液可避免上述危險，并可以有效地減小電池體積，因此固態鋰離子電池具有廣闊的發展和應用前景。

微型固態鋰離子電池主要用于為由微電子器件、微傳感器等低功耗器件構成的微系統進行供電，是鋰離子電池的一個重要分支。目前微系統正朝著小型化、集成化、智能化及低成本的目標發展，CMOS MEMS技術則是實現這些目標有效途徑。微系統的不斷發展也對為其供電的微型固態鋰離子電池(如容量、體積、能量密度、可靠性等)提出了更高的要求。鋰離子電池的負極材料是決定電池容量的關鍵因素之一，為了提高電池的存儲容量，研究人員對負極材料進行深入探索。在已知的負極材料中，硅(Si)的理論容量可達4200mAh/g(作為比較，目前鋰離子電池采用石墨作為負極，其理論容量約為372mAh/g)，而且Si在自然界中含量豐富且是CMOS MEMS工藝中最常見的材料，因此引起了人們的極大興趣。但是Si作為電池負極在充放電的過程中，體積會發生巨大變化(高達400％)。現有技術中通常使用Si膜作為電池負極，由于Si膜固定在電池基底上，如此大的體積變化導致Si膜內產生巨大的應力，進而導致Si膜破裂或粉末化，造成電池失效。為了解決現有技術中由于Si體積變化所產生大的應力而引起電池失效問題，目前普遍采用分立的Si納米結構(如納米管、納米棒、納米線等)代替Si膜作為電池負極。上述Si納米結構在電池充放電時可發生形變，進而有效釋放和減小了由于Si體積變化所產生的應力，極大改善了電池的可靠性和壽命。但是這些分立的Si納米結構之間必須保持足夠空間以容納形變，因此與使用Si膜作為電池負極相比，Si納米結構作為電池負極的振實密度較低，能夠用于存儲能量的活性物質含量較少，相應的電池能量密度低。另外，Si納米結構作為電池負極還存在著制作工藝復雜的缺點，導致電池的制作成本較高、不同批次電池性能重復性差的缺點。Si納米結構還存在機械性能較差(如易坍塌)等問題。

此外，在實際使用中，電池不可避免地面臨著由于壽命、可靠性等引起的電池失效問題，進而導致電池無法正常供電。因此，對電池的工作狀態進行在線檢測并且通過在線檢測及時、準確、快速地發現失效電池并進行處理有利于保障系統安全運行并降低維護成本。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種MEMS微型固態鋰離子電池及其制備方法，使電池具有較高的能量密度的同時，電池負極具有良好的機械性能和可靠性能，并具備工作狀態在線檢測功能。

發明內容：一種MEMS微型固態鋰離子電池，包括基底，所述基底為L型懸臂梁結構，分為橫向自由面和縱向支撐部；在所述基底上從下向上依次設置絕緣層、正極集流體層、正極層、固態電解質層、硅負極層、負極集流體層；其中，所述硅負極層正對基底的橫向自由面設置，所述硅負極層為厚度100-3000nm的硅；在所述基底的橫向自由面和縱向支撐部的連接處設置敏感電阻。

作為本發明的優選方案，所述敏感電阻為基底中注入硼離子形成區域。