[发明专利]一种硅基三维微电池纳米电极结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种瓶状六角形硅及硅基复合三维微电池纳米电极结构，尤其是涉及瓶状硅基纳米柱阵列作为微型锂离子电池的三维纳米阳极电极材料。

背景技术

目前随着微机电系统和集成电路的日益成熟发展，更多的微纳电子器件涌现出来并且逐步商业化。但供电系统电池的微型化问题在一定程度上阻碍了器件的进一步发展，且与微器件的集成也成为一种困难。在众多微型供电系统中，相对其他类型电池而言，微型锂离子电池作为一种可逆电池，由于它具有高的能量密度、较好的集成兼容性、良好的充放电循环性能、工作温度范围大、各种工作环境下具有良好的安全性、使用固态电解质，工作时无气体产生等优点，成为实现能源微型化、集成化、绿色化的最优选择，同时也是当前的研究热点。虽然近几年传统的二维薄膜微型锂离子电池相关研究日臻成熟并已实现商业化，但由于其二维（薄膜）结构的特点、现有的厘米级尺寸、电极材料的选择以及制备工艺，使得电池容量无法获得进一步提高，并且在大面积制造以及器件兼容集成等方面都存在诸多问题。尽管目前对锂离子电池的材料（包括阳极、阴极及固体电解质材料）的研究很多，也取得了一些可喜的进展，但考虑到在微型电池上的适用性和电池的工艺以及器件集成来说，可供选择的材料并不多。硅基材料，作为IC、M/NEMS以及微电子器件制备的主要材料，毋庸置疑，是作为电极/衬底材料制备可集成、晶圆级、低成本的微型电池的最佳选择。不仅如此，硅材料本身也具有优越的电化学特性，比如比较低的工作电势（<0.5V vs.Li/Li⁺）和非常高的理论嵌锂容量（4200mA hg^-1-Li_4.2Si，比目前商用的石墨（372mA hg^-1）要高近10倍）。但在反复的锂离子嵌入/脱出过程中，硅的体积膨胀高达约300%，这往往会造成材料的粉化和电池容量的退化，进而影响了硅材料在锂离子电池中的实际应用（U.Kasavajjula,C.S.Wang and A.J.Appleby,J.Power Sources,2007,163,1003–1039）。纳米结构和复合材料体系被认为是增大电极材料比表面积以及解决硅基材料的体积膨胀、导电性差等问题的可行手段。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种瓶状六角形硅及硅基复合三维微电池纳米电极结构。

本发明的技术方案如下：

一种硅纳米柱阵列，其特征在于，组成该阵列的硅纳米柱为下大上小的瓶状，直径50-500nm，高度700nm-5μm，柱间距为100nm-400nm。

在本发明的较佳实施例中，所述的硅纳米柱，其横截面为六角形，瓶身高度为500nm-3μm，直径为150nm-500nm，瓶颈高度为200nm-2μm，直径为50nm-200nm，且瓶颈直径为瓶身的1/3-2/3。

本发明的又一技术方案为：一种硅基复合三维微电池纳米电极结构，其特征在于：其包括前述的硅纳米柱阵列以及复合于硅纳米柱外层的材料层。

在本发明的较佳实施例中，所述硅纳米柱阵列基底为硅片，硅片的尺寸≤200mm，厚度300-500μm。

在本发明的较佳实施例中，所述的材料层包括单质材料或氧化物材料或多元化合物。

在本发明的较佳实施例中，所述的单质材料包括但不局限于C、Ge、Sn、Graphene其中的一种。

在本发明的较佳实施例中，所述的氧化物材料包括但不局限于V_xO_y、SnO₂、CuO、TiO₂其中的一种。

在本发明的较佳实施例中，多元化合物包括但不局限于Li₄Ti₅O₁₂、Li₇MnN₄、Li₃FeN₂其中的一种。

在本发明的较佳实施例中，所述的材料层为硅基复合锂离子电池阳极材料层。

本发明一种硅基复合三维微电池纳米电极结构的制备方法，包括以下步骤：

1）将硅片清洗后，利用反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，简称RIE）系统对硅片进行活化处理，获得具有亲水性的硅片表面；

2）在硅衬底上采用旋涂法自组装单层聚苯乙烯纳米球；