新型薄膜鋰離子電池是什么電池？

鋰離子電池的超小型化設(shè)計長期以來都是一個困擾鋰離子電池發(fā)展的難題，薄膜鋰離子電池本質(zhì)上來講是一種采用固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)電池。薄膜鋰離子電池的設(shè)計生產(chǎn)類似于鋰離子半導(dǎo)體集成電路，需要使用到紫外光刻蝕技術(shù)，但是光刻過程中使用的有機/無機化學(xué)試劑會對薄膜鋰離子電池的正極材料LiMn2O4材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響鋰離子電池的性能。

薄膜鋰離子電池需要首先在硬質(zhì)基體上進行制備，然后再轉(zhuǎn)移到柔性材質(zhì)上。為了提升電池的性能，并減少光刻過程中對于LMO材料的破壞，直接在整個基體上沉積了一層LiPON電解質(zhì)，然后采用SiO2對需要的部分進行保護，采用等離子體進行干法刻蝕，這一過程中不會用到光刻溶液，從而避免了對LMO材料的破壞。

完成電池制備后，還需要將電池從Si/SiO2基體上剝離到柔性襯底上，采用聚二甲基硅氧烷PDMS作為剝離材料，將PDMS旋涂到上述電池上，25℃鍵合24h后將上述制備的電池從Si/SiO2基體上剝離下來，然后通過電子束真空蒸鍍的方式在PDMS的表面沉積一層SiO2。

在過去的許多研究中都表明LMO材料在光刻過程中使用的有機和無機溶液中會發(fā)生O2的釋放，從而造成晶體結(jié)構(gòu)的衰變，進而影響材料的電性能。因此通過改變電池結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用干法侵蝕工藝，避免了光刻溶劑對LMO材料的破壞。

早期的研究傾向于將采用晶態(tài)LMO材料，但是更多的研究表明晶態(tài)LMO材料由于不可逆相變的原因，在容量衰降和循環(huán)性能存在一系列的問題，因此為了改善電池的性能，可以采用非晶態(tài)的LMO材料。

對于LiPON電解質(zhì)而言，晶態(tài)和非晶態(tài)的選擇也非常重要，因為有研究表明晶態(tài)LiPON材料會導(dǎo)致材料的離子電導(dǎo)率降低，從而影響電解質(zhì)薄膜的電化學(xué)特性。

通過對比了堆疊式結(jié)構(gòu)和平行式兩種結(jié)構(gòu)對鋰離子電池的電性能影響，堆疊式電池結(jié)構(gòu)的充電電壓平臺在3.3V左右，但是在放電的過程中電池的電壓衰降非常快，正極的比容量僅為10mAh/g左右，這可能是由于在光刻過程中使用的有機/無機溶液對LMO材料的破壞，導(dǎo)致其無法再次嵌鋰。采用平行式結(jié)構(gòu)和干法刻蝕工藝避免了光刻溶液對LMO材料的破壞，因此平行式結(jié)構(gòu)電池具有非常好的充放電曲線，充電電壓平臺在3.7V左右，比容量也達(dá)到了150mAh/g。經(jīng)過13uA/cm2的小電流密度對電池進行了循環(huán)測試，表明平行式電池結(jié)構(gòu)具有非常好的穩(wěn)定性。

通過將薄膜微型鋰離子電池原有的堆疊式電池結(jié)構(gòu)改變?yōu)槠叫惺诫姵亟Y(jié)構(gòu)，并對原有的光刻工藝進行優(yōu)化，采用干法刻蝕替代了傳統(tǒng)的光刻溶液，從而避免了有機/無機光刻溶液對LMO材料的破壞，提升微型鋰離子電池的電化學(xué)性能微型薄膜鋰離子電池由于微小的尺寸適合應(yīng)用在一些對電流要求較低的微型機械機構(gòu)中，例如微型醫(yī)療機器人，具有廣闊的應(yīng)用前景。