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薄膜电池材料及制造工艺较高-【新闻】

发布时间:2021-05-28 14:08:13 阅读: 来源:竹窗帘厂家

薄膜电池材料及制造工艺较高

电池是能量收集和提取器件积累电荷和存储能量的一种方法。由于许多能量收集器件只能捕获周围环境中很少的能量, 因此能量存储和间歇性应用所需的电池很小。典型的应用包括自供电无线传感器和穿戴式电子器件。所谓很小的电池一般是指微型电池,常用的功率单位为mW(毫瓦) , 能量单位为mWh( 毫瓦时) ,容量单位为mAh(毫安时)。

我们这里不讨论薄膜电池在材料和设计方面的研究进展,而只关注与能量收集相关的电池性能, 以及薄膜电池与更大的普通充电电池的性能区别。在此之前, 只有很少的文献讨论了带充电转换电路的能量收集器件,而薄膜电池几乎无人提及。如dano et al. (2005)演示了利用压电片和二极管桥式整流电路为40 mAh 的锦氢电池充电。之后的文献讨论了利用热电发电器以更高的功率进行充电。当时的研究者们避免使用锂离子电池,因为锂离子电池需要附加电压调制电路。虽然尚未报道,但是利用太阳能电池和压电器件对薄膜电池进行充电已经成为现实。

薄膜电池是一种固态电池并通过一系列物理气相淀积(PVD) 工艺制备。淀积于绝缘衬底的薄膜电池截面图如图13.1 所示。各层材料厚度从0.3μm 至几微米不等。一般认为衬底也是器件的一部分,即使采用很薄的衬底,电池的重量与体积仍由衬底决定。薄膜电池的衬底多种多样,包括硅、云母、铝、聚合物以及金属销等。如图13. 2 所示,很多电池不仅薄, 而且柔软。至今,由于多层电池的淀积存在工艺困难,因此TFB 仍被限制为单层结构。典型的有源区面积为几平方厘米, 已经制备的电池有源区面积从约1 mm2 到25 cm2 不等,电池容量从约1mAh 到10mAh 不等。

Oak Ridge 的大量研究工作指出, 许多材料可以用作有源区阴极和阳极材料。这些材料被加人到复合物中,在电池充电或放电时结合或释放锂原子。电极材料决定了电池电压特性,并在某种程度上决定了电池容量、能量和功率。已经研制了利用金属锂作为阳极的锂电池和利用复合物或合金作为阳极的组离子电池CNeudecker and Zuhr 2000) 。此外,无锂电池没有阳极材料,在第一次充电时,金属锂被电镀到电流收集端。

除了金属锂之外,阴极和阳极材料通过磁控溅射以单相薄膜的形式淀积到非加热衬底上。根据X 射线检测,这些薄膜通常为非品结构或具有极小的晶粒。之后,通过300~800℃ 的退火处理形成单品结构,由此可以加快锂的扩散速度,提高电池功率。许多用于TFB 的化合物和合金材料也被用于传统的锂离子电池,但是由于精膜材料的晶粒更小且连通性更好, 因此相比于传统的锂离子电池材料,在更大的电压范围内工作日才,薄膜材料的可靠性更高(Jang et. al. 2002) 。但是,工作时体积改变引起的应力限制了阴极和阳极薄膜的厚度。

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