[發(fā)明專利]一種MEMS振動能量收集與存儲的單片集成裝置及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610128768.6
• 申請日: 2016-03-07
• 公開（公告）號: CN107170959B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃曉東;甘興鋒;黃見秋;黃慶安
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H01M4/134
• 分類號: H01M4/134;H01M10/0525;H01M10/0585;H01L41/113;H01L41/22;B81B7/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發(fā)明公開了一種MEMS振動能量收集與存儲的單片集成裝置及其制備方法。本發(fā)明采用堆疊的方式實現(xiàn)能量收集器件與鋰離子電池的單片集成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，利于實現(xiàn)傳感器節(jié)點的微型化、集成化并提高能源利用效率。此外，本發(fā)明中基于MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)的堆疊方式，既實現(xiàn)了能量收集器件對振動能量的有效收集，還有助于釋放和減小鋰離子電池充放電時產(chǎn)生的應(yīng)力，不但提高了器件的集成度還增強(qiáng)了器件可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種收集環(huán)境中振動能量的能量收集與存儲的裝置及其制備方法，尤其涉及一種基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的收集環(huán)境中振動能量的能量收集與存儲的單片集成裝置及其制備方法。

背景技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，正對人們的生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生深刻影響。微能源技術(shù)負(fù)責(zé)為物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點提供電源，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前普遍采用電化學(xué)電池為節(jié)點供電，在各類型電化學(xué)電池中，固態(tài)鋰離子電池具有工作電壓高、比容量大、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、環(huán)境污染小及安全性能高等優(yōu)點，因而得到人們的青睞。為了進(jìn)一步提高鋰離子電池的容量以延長電池壽命以及縮小電池尺寸，科研人員開展了大量研究。對于鋰離子電池，負(fù)極材料是決定電池容量的關(guān)鍵因素之一，為了提高電池的存儲容量，研究人員對負(fù)極材料進(jìn)行深入探索。在已知的負(fù)極材料中，硅(Si)的理論容量可達(dá)4200mAh/g(作為比較，目前鋰離子電池采用石墨作負(fù)極，其理論容量約為372mAh/g)，而且Si在自然界中含量豐富，因此引起了人們的極大興趣。但是，Si作為電池負(fù)極在充放電的過程中體積會發(fā)生巨大變化(高達(dá)400％)，如此大的體積變化會導(dǎo)致固定于電池基底上的Si膜內(nèi)產(chǎn)生極大的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致Si膜的破裂或粉末化，造成電池失效。為了解決Si膜由于體積變化而引起電池失效問題，目前普遍采用分立的Si納米結(jié)構(gòu)(如納米管、納米棒、納米線)代替Si膜作為電池負(fù)極。上述Si納米結(jié)構(gòu)可通過形變釋放和減小體積變化所產(chǎn)生的應(yīng)力，因此極大提高了電池的可靠性和壽命。但是，這些分立的Si納米結(jié)構(gòu)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(fù)極相比，Si納米結(jié)構(gòu)作為電池負(fù)極的振實密度較低，能夠用于存儲能量的活性物質(zhì)含量較少，相應(yīng)的電池能量密度低。另外，Si納米結(jié)構(gòu)作為電池負(fù)極還存在著制作工藝復(fù)雜的缺點，導(dǎo)致電池的制作成本較高、不同批次電池性能重復(fù)性差的缺點。Si納米結(jié)構(gòu)還存在機(jī)械性能較差(如易坍塌)等問題。因此為了實現(xiàn)將Si應(yīng)用于鋰離子電池以提高電池容量及縮小電池尺寸，由Si體積變化所引起電池失效問題尚待解決。

為了降低對傳感器節(jié)點中的電池進(jìn)行維護(hù)和更換所造成的成本并實現(xiàn)對傳感器節(jié)點長期、穩(wěn)定供電，發(fā)展出了能量收集技術(shù)。該技術(shù)可實現(xiàn)將環(huán)境能量(如光、電磁波、振動等)轉(zhuǎn)化為電能供給傳感器節(jié)點使用。振動是一種在環(huán)境中普遍存在且分布廣泛的能量源，因此振動能量收集技術(shù)具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。作為振動能量收集技術(shù)的典型代表，壓電式振動能量收集器具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、易加工、能量密度高的優(yōu)點，因此引起人們廣泛關(guān)注。通過壓電式振動能量收集器(能量收集器件)將環(huán)境中振動能量轉(zhuǎn)化為電能，并通過充電電路對固態(tài)鋰離子電池(能量存儲器件)進(jìn)行充電以實現(xiàn)將收集的能量進(jìn)行存儲，儲存在鋰離子電池中的電能通過電源管理電路對傳感器節(jié)點進(jìn)行供電。上述方案可有效地降低對傳感器節(jié)點中的電池進(jìn)行維護(hù)和更換的成本并實現(xiàn)對傳感器節(jié)點長期、穩(wěn)定供電。從尺寸上講，能量收集器件與鋰離子電池往往是構(gòu)成傳感器節(jié)點的主要部分。實現(xiàn)能量收集器件和鋰離子電池的有效集成，既可降低能源傳輸造成的損耗又可減小傳感器節(jié)點的尺寸，因此是實現(xiàn)傳感器節(jié)點微型化、集成化及提高能源利用效率的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種MEMS振動能量收集與存儲的單片集成裝置及其制備方法，實現(xiàn)能量收集器件和鋰離子電池的有效集成。