固态薄膜电池研究进展

发布时间：2021-10-29 22:58

　　目前,固态薄膜电池的研究主要集中在低阻抗电极/电解质界面的构建和高离子电导率固体电解质的开发。介绍了固态薄膜电池的结构设计和离子传输机理,在此基础上讨论了负极膜、正极膜和固体电解质膜的研究进展,最后总结了电极/电解质界面问题及其改进策略。 

【文章来源】：硅酸盐学报. 2020,48(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：15 页

【部分图文】：

固态薄膜电池结构[1]

Nakazawa等[7]采用直流溅射和射频溅射的方法，制备出直立式的固态薄膜电池。如图2b所示，直立结构采用逐层依次沉积的方式，各功能层尺寸相近，保证了有效接触面积的最大化，从而使固态薄膜电池的能量密度及循环寿命得到大幅提升。此外，较大的正负极膜层面积便于固态薄膜电池的连接使用。由于正负极与电解质层接触面积较大且尺寸相近，直立结构的固态薄膜电池极易产生短路，不易封装，因此对功能层的均匀性及薄膜致密度要求较高，难以应用于实验研究与实际生产。包裹结构及直立结构的固态薄膜电池受限于平面几何结构，无法满足近年来快速发展的微机电系统(MEMS)、微型医疗器械、传感器等领域对微电源的需求，因此人们提出了3D固态薄膜电池的概念。3D固态薄膜电池通过独特的构架设计，增大了电极堆积密度及界面接触面积，并缩短了锂离子扩散距离，从而提升电池能量密度、充放电速率及机械特性，为电池与微器件的一体化应用提供有效的解决方式。3D结构根据其形态不同可分为微孔状、叉指状、阵列状及纤维状。

叉指状3D固态薄膜电池由Wang等[10]于2004年首次提出，在Si/Si O2衬底上涂覆光刻胶，经过曝光、显影及坚膜后得到叉指状图形，在其表面沉积各功能层即可得到叉指状3D固态薄膜电池(图3b)。叉指结构可制成多种形貌，能包覆不同的活性材料，且光刻工艺较为成熟，适合工业化生产，但存在放电不均匀，漏电流较大等问题。阵列状3D固态薄膜电池是在覆盖微/介孔模板的平面衬底上，通过薄膜制备技术沉积集流体和电极层，获得自支撑的阵列状3D结构，去除模板后继续沉积固体电解质及电极功能层，最终制备得阵列状3D固态薄膜电池。阵列状结构有效增加了电极与固体电解质间的接触面积，但由于纳米棒分布密集且较为脆弱，在大电流下进行充放电容易造成局部破坏。如图4a所示，Wang等[10]通过掩膜法制备出高纵横比(约10:1)的碳柱，碳柱具有均匀分布及良好的轮廓，所形成的C-MEMS阵列电极表现出优异的可逆脱嵌锂的能力。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3465545