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新型薄膜锂离子电池是什么电池?

锂离子电池的超小型化设计长期以来都是一个困扰锂离子电池发展的难题,薄膜锂离子电池本质上来讲是一种采用固态电解质的全固态电池。薄膜锂离子电池的设计生产类似于锂离子半导体集成电路,需要使用到紫外光刻蚀技术,但是光刻过程中使用的有机/无机化学试剂会对薄膜锂离子电池的正极材料LiMn2O4材料结构产生破坏,影响锂离子电池的性能。

新型薄膜锂离子电池

薄膜锂离子电池需要首先在硬质基体上进行制备,然后再转移到柔性材质上。为了提升电池的性能,并减少光刻过程中对于LMO材料的破坏,直接在整个基体上沉积了一层LiPON电解质,然后采用SiO2对需要的部分进行保护,采用等离子体进行干法刻蚀,这一过程中不会用到光刻溶液,从而避免了对LMO材料的破坏。

完成电池制备后,还需要将电池从Si/SiO2基体上剥离到柔性衬底上,采用聚二甲基硅氧烷PDMS作为剥离材料,将PDMS旋涂到上述电池上,25℃键合24h后将上述制备的电池从Si/SiO2基体上剥离下来,然后通过电子束真空蒸镀的方式在PDMS的表面沉积一层SiO2。

在过去的许多研究中都表明LMO材料在光刻过程中使用的有机和无机溶液中会发生O2的释放,从而造成晶体结构的衰变,进而影响材料的电性能。因此通过改变电池结构设计和采用干法侵蚀工艺,避免了光刻溶剂对LMO材料的破坏。

早期的研究倾向于将采用晶态LMO材料,但是更多的研究表明晶态LMO材料由于不可逆相变的原因,在容量衰降和循环性能存在一系列的问题,因此为了改善电池的性能,可以采用非晶态的LMO材料。

对于LiPON电解质而言,晶态和非晶态的选择也非常重要,因为有研究表明晶态LiPON材料会导致材料的离子电导率降低,从而影响电解质薄膜的电化学特性。

通过对比了堆叠式结构和平行式两种结构对锂离子电池的电性能影响,堆叠式电池结构的充电电压平台在3.3V左右,但是在放电的过程中电池的电压衰降非常快,正极的比容量仅为10mAh/g左右,这可能是由于在光刻过程中使用的有机/无机溶液对LMO材料的破坏,导致其无法再次嵌锂。采用平行式结构和干法刻蚀工艺避免了光刻溶液对LMO材料的破坏,因此平行式结构电池具有非常好的充放电曲线,充电电压平台在3.7V左右,比容量也达到了150mAh/g。经过13uA/cm2的小电流密度对电池进行了循环测试,表明平行式电池结构具有非常好的稳定性。

通过将薄膜微型锂离子电池原有的堆叠式电池结构改变为平行式电池结构,并对原有的光刻工艺进行优化,采用干法刻蚀替代了传统的光刻溶液,从而避免了有机/无机光刻溶液对LMO材料的破坏,提升微型锂离子电池的电化学性能微型薄膜锂离子电池由于微小的尺寸适合应用在一些对电流要求较低的微型机械机构中,例如微型医疗机器人,具有广阔的应用前景。

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