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薄膜微电池

        随着纳 / 微米技术的快速发展,许多具有全新性能的微器件(如微传感器、微执行器等)以及由微器件所组成的微系统(如微型卫星等)相继被开发出来。人们预计,微机械电子系统( MEMS )技术将会像微电子技术一样,它的发展会引发一场新的技术革命。这些微器件的尺寸在毫米甚至微米级别,功率在毫瓦甚至微瓦级别。例如,对于大多数远程自主工作的微传感器来说,峰值功率只有 5mW, 峰值脉冲宽度仅 10mS, 而备用功率 (Standby Power) 只有 10 μ W 。然而,与快速发展的 MEMS 技术相比,与之相匹配的微电源技术相当落后,成为限制 MEMS 发展和应用的瓶颈之一。而锂 / 锂离子薄膜微电池是最重要的微电源之一,它们有如下优点:( a )可以制作成任何二维形状和大小,采用不同的制备方法几乎可以沉积在任何基体;并且可以很方便的并联和串连,以满足不同应用场合的需要; (b) 能量密度高 , 循环寿命长 , 安全性好; (c) 工作温度范围大,不受环境条件如日照等的影响; (d) 薄膜微电池大多采用微器件的制备技术,这使得它们能够和其它微器件一起集成在同一块芯片上,成为一体化和自主工作的微系统,甚至使得芯片水平上的分布式电源成为可能。除用于 MEMS 外,薄膜微电池还可以用做计算机 CMOS (互补金属氧化物半导体)内存芯片的备用电源、有害气体报警卡 (Hazardous Card) 的电源等。

  锂 / 锂离子薄膜微电池是快速离子导体和嵌锂层状化合物发展的结果。早在 80 年代, Kanehori 等制备出以 TiS 2 薄膜为阴极的锂薄膜电池,其电化学容量超过 100 μ Ah cm -2 , 循环次数可达 1500 次。进入 90 年代,薄膜微电池的研究开始受到重视。 Eveready 电池公司的 Jones 及其同事通过引入 LiI 层制备出的 Li- TiS 2 薄膜电池以约 100 μ A cm -2 的电流密度放电循环可达 10000 次。同期,橡树岭国家实验室的 Bates 和 Dudney 等制备出新的薄膜固体电解质 LiPON(lithium phosphorus oxynitride) ,该电解质室温 (25 ℃ ) 传导率为 2 μ S cm -1 , 在此基础上,制备出 Li- TiS 2 ,Li-V 2 O 5 和 Li-LixMn 2 O 4 等一系列薄膜微电池 [8] 。嵌锂阴极薄膜是决定薄膜微电池性能的关键因素之一。由于具有高 OCV ( Open Circuit Voltage ),高容量的嵌锂过渡金属氧化物 (LTMOs) 如 LiCoO 2 等在锂离子电池的商业化上获得巨大成功, 90 年代末特别是近年来, LTMOs 薄膜阴极的研究开始受到重视。人们开始尝试采用各种不同的方法如溅射、脉冲激光沉积、 sol-gel 法、静电喷涂法等来制备 LTMOs 薄膜阴极。另一方面,由于金属锂的熔点只有 181 ℃,而通常组装电子电路板的过程中焊接熔流温度高达 250 ℃,这限制了锂薄膜微电池的应用。为了使薄膜微电池能在更大的温度范围内工作,人们开始了对其它薄膜阳极如 Sn 基化合物薄膜的研究。

  由此可见,锂 / 锂离子薄膜微电池已经受到世界各国相关学者的重视,开始成为一个新的研究热点。同时,文献所报道的锂 / 锂离子薄膜微电池的性能离广泛应用还有比较大的距离,有待进一步提高;该领域有大量的基础科学问题有待研究如薄膜微电池中各种界面对性能的影响、薄膜电极材料微观结构与性能的关系等。另外采用不同的制备方法或者制备条件,可以制备出具有不同成分、不同显微结构和表面形貌的材料,具有重要的科学意义。本课题组在国家自然科学基金和科技部基础研究重大计划前期专项的支持下开展了这一领域的研究。我们采用激光溅射法制备了 iCoO 2 系锂 / 锂离子薄膜微电池,电池性能优良。