了有其他立柱陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之外，還有以下優(yōu)點:這種“陷阱”式的網(wǎng)狀立柱陣列，表面積更大，修飾固定的納米材料更多，能大幅提高迀移離子數(shù)目，提高功率密度；納米材料在這種“陷阱”式的結(jié)構(gòu)內(nèi)的修飾固定更穩(wěn)定，不容易因振動而造成陽極與陰極的納米材料交叉混合。
[0048]在本發(fā)明中，電解質(zhì)例如采用非水系電解質(zhì)，優(yōu)選為非水系有機電解質(zhì)，例如以鋰鹽為溶質(zhì)溶于有機溶劑制成的非水有機電解質(zhì)，進一步優(yōu)選的電解質(zhì)為=LiPF6溶解在乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯和甲基乙基碳酸酯按一定比例配制的四元溶劑里配制成的電解質(zhì)。此外，電解質(zhì)也可以為膠體形態(tài)，從而制備出來的電池為膠體電池，保存性能和使用壽命更加卓越。
[0049]在一個優(yōu)選實施例中，如圖7所示，還可以在正負極之間設(shè)置隔離墻(相當(dāng)于傳統(tǒng)電池的隔膜)，其作用是讓離子通過，防止正負極短路。隔離墻的材料與基底的材料一致，通過深刻蝕或者化學(xué)腐蝕的方法制備。
[0050]在一個優(yōu)選實施例中，還可以在正極集流體上設(shè)置導(dǎo)電涂層，該涂層例如為鋁箔涂層，以便有效提高正極片的附著力，減少粘結(jié)劑的使用量，并顯著提升電池電性能。
[0051]對于第一外殼和第二外殼之間的密封，即整個電池的密封，可以采用鍵合密封，也可采用BCB密封，或者其他的膠粘劑密封。對于密封工藝并沒有限定，只要能夠保證整個電池的牢固度和密封性即可。
[0052]上述制備的電池尺寸非常小，由于通過MEMS工藝制備，從而可以像貼片元件一樣貼裝到線路板等電子電路中，給相應(yīng)部件提供電源。
[0053]由于上述制備的電池尺寸非常小，電池輸出的電壓和電容量都偏小，因此可以采用電池陣列的方式，將其排成網(wǎng)格組成電池組，來共同向外供電，以提高供電電壓和電池容量。
[0054]本發(fā)明還公開了一種芯片電池的制備方法，包括以下步驟:
[0055]以半導(dǎo)體材料為基底，通過派射或電子束蒸發(fā)一層Au/Cr，Au厚度為100?500nm，優(yōu)選200nm，Cr厚度為10?50nm，優(yōu)選20nm，采用干膜(負膠)作為光刻膠進行光刻，然后化學(xué)腐蝕，去掉其他部分的Au/Cr，形成引出電極；
[0056]在基底上表面上沉積一層金屬，如Au、Al，優(yōu)選鋁，然后在基底上表面上固定一層干膜作為光刻膠進行光刻，形成微型立柱陣列圖形，利用化學(xué)腐蝕方法去掉立柱陣列之外的金屬，再利用深刻蝕工藝刻蝕形成微型立柱陣列及電池第一殼體的池體；
[0057]在微型立柱陣列表面修飾固定納米材料作為正極；
[0058]利用同樣的方法，制備出負極的第二殼體池體及其引出電極，并在其微型立柱陣列表面修飾納米材料作為負極。
[0059]待兩池體與立柱陣列上分別修飾固定了納米材料，形成了正極和負極后，在第一殼體和第二殼體的密封面上涂覆一層絕緣耐腐蝕膠，如BCB膠粘劑或其它型號的膠粘劑，然后將第一殼體和第二殼體對準(zhǔn)并接觸，待膠粘劑凝固后即完成電池的封裝，形成電池的殼體。
[0060]從預(yù)留的注樣孔注入電解質(zhì)，待電解質(zhì)充滿池體后，即可密封注樣孔，從而得到MEMS電池。
[0061]其中，在形成引出電極之前，也可以通過深刻蝕或化學(xué)腐蝕工藝在該基底上表面上形成凸臺，從而在其后的蝕刻工藝過程中，利用該凸臺形成叉指結(jié)構(gòu)。
[0062]為了最大限度提高支撐結(jié)構(gòu)的體表面積，本發(fā)明公開了一種在陣列立柱表面通過電化學(xué)腐蝕的方法，如圖5所示，在三維立柱陣列上形成一層多孔疏松狀結(jié)構(gòu)，即在立柱陣列表面形成一層多孔硅層，孔隙大小、孔隙率以及多孔硅層厚度可以通過電化學(xué)腐蝕的條件(如腐蝕液中各成分的比例，腐蝕時間，外界加載電流等因素)進行調(diào)節(jié)。在立柱表面生長多孔硅層后，其表面積可以提高1-3個數(shù)量級，可大幅提高所修飾固定的納米電極材料，增加離子迀移數(shù)，提高電池的能量密度及功率密度。
[0063]更具體地，作為一個優(yōu)選實施例，本發(fā)明公開了一種在娃基基底的電極表面進一步進行修飾形成疏松多孔結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0064](I)配制腐蝕液，HF: H2O2:乙醇:H2O=Il: 1:4: 12，其中乙醇的作用是消除硅表面的氣泡，使多孔層的孔隙率及孔徑基本一致；HF和H2O2主要用于腐蝕硅基等半導(dǎo)體材料；
[0065](2)制作電極，以硅片為基底，在其表面濺射一層金屬，如Au、Pt，優(yōu)選Pt ;
[0066](3)將Pt電極與待制備多孔硅層的硅基基底(正極和負極所在的基底)面對面垂直放置在腐蝕液中，并與外部電源連接；
[0067](4)接通電源，通以20?150mA/cm2的電流，優(yōu)選80mA/cm2，腐蝕20?60分鐘，腐蝕速率在0.8微米/min，腐蝕20分鐘，即可在池體和立柱表面形成多孔層。
[0068]多孔硅的厚度可以在I?50微米之間選擇，在本發(fā)明的實施例中，多孔硅的厚度優(yōu)選為15微米。
[0069]下面結(jié)合附圖并通過硅基基底的具體實施例對本發(fā)明做進一步的闡述說明。
[0070]如圖1A所示，為選取的硅基底I。
[0071]如圖1B所示，為了形成叉指結(jié)構(gòu)，在該硅基底I的上表面通過深刻蝕或化學(xué)腐蝕工藝形成凸臺；
[0072]通過派射或電子束蒸發(fā)一層Au/Cr，Au厚度為200nm，Cr厚度為20nm，采用干膜(負膠)作為光刻膠進行光刻，然后化學(xué)腐蝕，去掉其他部分的Au/Cr，形成如圖1C所示的引出電極；
[0073]在凸臺面上沉積一層金屬鋁，然后在凸臺面上固定一層干膜作為光刻膠進行光亥IJ，形成立柱陣列圖形，利用化學(xué)腐蝕方法去掉立柱陣列之外的Al，再利用深刻蝕工藝刻蝕形成如圖1D所示的微型立柱陣列及電池池體(圖中虛線表示)；
[0074]在該微型立柱陣列表面修飾固定納米材料Ni/N1復(fù)合納米泡沫作為正極，如圖2所示；
[0075]利用同樣的方法，制備出負極的池體及其引出電極，并在其微型立柱陣列表面修飾石墨烯作為負極，如圖3所示。
[0076]待兩硅基上的池體與立柱陣列上分別修飾固定納米材料，形成正極和負極后，在兩硅基密封面上涂覆一層BCB膠，然后將正極所在的硅基與負極所在的硅基對準(zhǔn)并接觸，如圖4所示，待BCB膠凝固后即完成電池的封裝，形成電池的殼體。
[0077]從注樣孔注入電解質(zhì)，待電解質(zhì)充滿池體后，即可密封注樣孔，從而得到MEMS鋰電池。
[0078]經(jīng)過理論計算可知，本發(fā)明的MEMS鋰電池的理論估值的電池功率密度彡5mffcm 2 μ m 1，工作溫度可以在-50 V?70 °C之間。經(jīng)過小批量的實際試用，本發(fā)明的MEMS鋰電池也取得了滿意的技術(shù)效果。
[0079]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種MEMS鋰電池的制備方法，包括以下步驟: 以半導(dǎo)體材料為第一殼體的基底，在其上形成第一引出電極、第一三維立柱陣列及第一池體，其中所述第一三維立柱陣列位于所述第一池體中； 在所述第一三維立柱陣列表面修飾固定第一納米材料作為正極； 利用同樣的方法，制備出包含負極的第二殼體，在所述第二殼體上形成第二引出電極、第二三維立柱陣列及第二池體，并在所述第二三維立柱陣列表面修飾固定第二納米材料作為負極，其中所述第二三維立柱陣列位于所述第二池體中，且所述第二池體與所述第一池體對準(zhǔn)形成一個容納空腔，所述第一三維立柱陣列和所述第二三維立柱陣列彼此錯開； 將所述第一殼體和第二殼體對準(zhǔn)并封裝，形成所述MEMS鋰電池的殼體。2.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中在所述將所述第一殼體和第二殼體對準(zhǔn)并封裝的步驟之后，還包括從預(yù)留的注樣孔注入電解質(zhì)，待電解質(zhì)充滿池體后密封注樣孔，從而得到所述MEMS鋰電池的步驟。3.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中在所述第二三維立柱陣列表面修飾固定第二納米材料作為負極的步驟之后，將所述第一殼體和第二殼體對準(zhǔn)并封裝的步驟之前，還包括在所述第一殼體和第二殼體上的池體中填充膠體電解質(zhì)的步驟。4.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中通過深刻蝕或化學(xué)腐蝕工藝在所述第一/第二殼體上形成所述第一/第二池體和位于所述第一/第二池體中的預(yù)留立柱，通過光刻工藝在所述預(yù)留立柱上形成所述第一/第二三維立柱陣列。5.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中所述半導(dǎo)體材料為硅基、碳基或砷化鎵材料。6.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中所述在基底上形成第一/第二引出電極的步驟中，包括在所述基底上形成Au/Cr金屬層作為掩膜的步驟，其中所述Au層厚度為100?500nm，Cr層厚度為10?50nm。7.如權(quán)利要求6所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中所述Au層厚度為200nm，Cr層厚度為20nmo8.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中所述包含正極的第一殼體和包含負極的第二殼體的制備不分先后順序。9.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中所述將第一殼體和第二殼體封裝的步驟中，采用鍵合密封或BCB密封工藝。10.如權(quán)利要求1所述的MEMS鋰電池的制備方法，其中在形成所述第一引出電極和/或第二引出電極之前，通過深刻蝕或化學(xué)腐蝕工藝在所述第一殼體和/或第二殼體的基底上表面上形成第一凸臺和/或第二凸臺，從而在其后的蝕刻工藝過程中，利用所述第一凸臺和第二凸臺形成叉指結(jié)構(gòu)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MEMS鋰電池的制造方法，包括分別制造第一外殼，其上形成有一空腔且在空腔內(nèi)一體形成電池正極，以及第二外殼，采用與第一外殼相同材料制成，其上形成有一與第一外殼相對接的空腔，且在空腔內(nèi)一體形成電池負極；然后將第一外殼和第二外殼封裝在一起形成電池。本發(fā)明的鋰電池制備工藝簡單，可批量化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本；可大幅提高電池制備的一致性和可靠性；可使電極由二維結(jié)構(gòu)變成三維結(jié)構(gòu)，大幅提高了電極的表面積，減少電荷轉(zhuǎn)移電阻，提高離子遷移數(shù)，使得電池的能量密度及功率密度得到大幅提高；可縮短離子遷移路程，縮短電池的充電時間。
【IPC分類】H01M10/058, B81C1/00
【公開號】CN105036062
【申請?zhí)枴緾N201510381891
【發(fā)明人】孫建海, 趙佩月, 劉昶, 馬天軍
【申請人】中國科學(xué)院電子學(xué)研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年7月2日