[发明专利]一种采用倒金字塔阵列结构的三维全固态微型薄膜锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池，尤其是涉及一种采用倒金字塔阵列结构的三维全固态微型薄膜锂电池。

背景技术

当今，随着微机电系统(MEMS)的迅速发展，外接电源已无法满足日益增长的微型化、集成化需求。微型薄膜锂电池由于其尺寸灵活、安全和高能量密度等优点，在微能源中脱颖而出。然而现有的全固态薄膜锂电池大部分都局限在二维平面内([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)，空间利用率低，即使是已有的三维薄膜锂电池，通常结构复杂、工艺要求较高([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状三维结构([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)，不易与微电子工艺结合，往往只是单个电极或需要加电解液([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)，从而没有真正微型化、固体化全电池，而且很少有研究者考虑电路的平面设计，将薄膜电池的上电路引线至基底面进行封装。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种采用倒金字塔阵列结构的三维全固态微型薄膜锂电池。

本发明设有基片、绝缘膜、阴极集流体、下层阳极集流体、阴极膜、固体电解质膜、阳极膜和上层阳极集流体；

所述绝缘膜设在基片上，阴极集流体和下层阳极集流体设在绝缘膜上，阴极膜设在阴极集流体上，固体电解质膜覆盖在阴极膜上，阳极膜设在固体电解质膜上，上层阳极集流体设在阳极膜和下层阳极集流体上。

三维结构是利用SiO₂当掩蔽层，用KOH溶液对<100>晶向的硅做各向异性腐蚀而得到。

所述基片可采用<100>晶向的硅片，所述绝缘膜可采用SiO₂膜或Si₃N₄膜，所述阴极集流体、下层阳极集流体和上层阳极集流体可采用Pt、Au、Ni、Cu或Al，所述阴极集流体、下层阳极集流体优选Pt，上层阳极集流体优选Cu。

所述阴极膜可采用锂膜或金属的氧化物膜，优选LiCoO₂薄膜；所述固体电解质膜为LiPON膜或改性的LiPON膜，优选LiPON薄膜；所述阳极膜可为金属或金属氧化物膜，优选SnO_x薄膜。

所述阴极膜的面积可为0.1～1mm²，厚度可为0.1～2μm，优选面积0.65mm×0.8mm、厚度0.6μm；所述固体电解质膜的厚度可为0.1～2μm，优选0.6μm；所述阳极膜的厚度可为0.1～2μm，优选0.2μm。

所述阴极膜在氧气或者空气中进行300～1000℃退火处理，优选700℃退火处理。

所述绝缘膜可通过氧化法或者化学气相沉积法制备；所述阴极集流体、下层阳极集流体、阴极膜、固体电解质膜、阳极膜和上层阳极集流体均可通过磁控溅射法或脉冲激光沉积法制备。