[发明专利]一种高重量比能量密度微能源系统、方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高重量比能量密度微能源系统、方法及其应用，具体涉及一种高重量比能量密度，可使物联网节点在连续阴天条件下正常工作的微能源系统、制备方法及应用。属微电子技术领域。

背景技术

物联网传感器节点的微型化、可布撒、无人值守是未来发展的趋势，对能源的体积、重量、功率和工作电流都提出了特殊的要求，迫切要求有体积小、重量轻、(重量、体积)比容量高的微能源与之匹配，微能源与负载单片集成将有利于进一步提高微系统的重量比能量密度。

GaAs太阳电池是目前太阳电池中效率最高的电池，AM1.5(1000W/m²，25℃条件下，IEC61646-地面用光伏组件设计和定型(GB/T18911-2002)的测试标准)，效率可达27％以上，另一方面，该电池衬底厚度为200微米，具有很好的支撑性，成为能源微系统集成的衬底备选，利用GaAs背面衬底可以直接生长固态薄膜锂电池结构，同时可以集成能源管理和物联网节点收发模块，实现有效的单片集成，提高微系统的重量比能量密度。

全固态薄膜锂电池克服了常规液态电解质电池需要严密封装的缺点，可以借助溅射工艺在真空中成膜，工艺简化，工艺可控性得到有效提升，同时也成为现有锂电池中长寿命、高重量比能量密度的代表之一。全固态薄膜锂电池通常由阴极薄膜、电解质薄膜和阳极薄膜三部分组成。常规全固态薄膜锂电池中的阴极薄膜材料一般采用LiCoO₂、LiMnZO以及Li_xV₂O₅。该类材料存在制备工艺复杂的问题，而且在制备过程中一般需要高温退火过程，而该退火过程将损害电子元器件，从而限制了全固态薄膜锂电池在半导体行业中的应用。本发明采用溅射工艺制备氮化镍钴薄膜作为锂电池阴极。常规锂电池采用液态电解液，存在封装不严可能泄漏和循环寿命受限的缺点，而固体电解质Li_1.3Ti_1.7Al_0.3(PO₄)₃由于具有较高的锂离子电导率、良好的电化学稳定性成为当前锂电池电解质材料的重要备选。选用上述材料和工艺有利于提高锂电池的重量比能量密度。

如能利用GaAs电池效率高的特点，则将可以更多的捕获太阳光，通过固态锂电池可以储存更多的能量，通过能源管理单元转换为电能储存和为传感器节点供电，实现节点的白天捕获光能同时供应传感器工作，夜间锂电池供应传感器工作，实现长时间供电的模式。本发明正是基于上述背景提出的。

发明内容

本发明的目的是提供一种高重量比能量密度微能源系统、制作方法及其应用，本发明解决了现有微能源系统低能量密度(如聚合物锂电池，仅为100-200Wh/Kg)的问题。本发明提供了微能源系统的技术解决方案：一种高重量比能量密度微能源系统，其特征在于：1)、在GaAs电池背表面溅射生长Al薄膜(厚度范围150-350nm)，在Al表面溅射沉积Co_mNi_1-mN(0＜m＜1)薄膜，沉积工艺条件是按通式中一定比例的Co纳米粉和Ni纳米粉混合，真空熔融煅烧，制备金属钴镍合金靶材，通过射频磁控溅射的方法沉积氮化镍钴薄膜，本底真空为2×10^-4Pa以下，沉积时基片温度小于80℃，直至氮化镍钴薄膜的厚度为800-1000nm；

2)、在氮化镍钴薄膜表面溅射沉积Li_1.3Ti_1.7Al_0.3(PO₄)₃薄膜；制作工艺是先制作Li_1.3Ti_1.7Al_0.3(PO₄)₃合金靶材，采用该靶材，在Ar环境中溅射成膜，直至Li_1.3Ti_1.7Al_0.3(PO₄)₃薄膜的厚度为1500-1700nm；

3)、在Li_1.3Ti_1.7Al_0.3(PO₄)₃薄膜上沉积金属Li薄膜。其制备工艺是采用真空热蒸发沉积，本底真空为2x10^-4Pa以下，基片温度为室温，蒸发速率400～1100nm/min，直至锂薄膜的厚度为1000-1200nm。