三維電極微電池結構原理

電池內有三個元件：分別位于電池兩端的陰極和陽極以及作為“橋梁”的電解液。最新研究的突破主要在于，科學家們在微尺度上將陽極和陰極整合在了一起。

他們首先制造出一個由細小的聚苯乙烯球組成的網(wǎng)格；接著用金屬填滿球內外；再將球溶解，留下一個三維的金屬支架，并在該金屬支架上添加了一個鎳—錫合金陽極和氫氧化錳礦物質陰極；最后，將該裝置依附到一塊玻璃的表面，并將玻璃表面沒入300攝氏度的液體（作為電解質）中。

研究負責人、伊利諾伊大學的威廉姆·金教授表示：“陰極和陽極距離非常近，使得位于電池兩極用來發(fā)生反應的離子和電子不需要行進很遠，因此能更快產(chǎn)生能量。而且，最新技術可以擴展，可以將電池做得比較大?！?

金指出，盡管智能手機和其他電子設備已從微電子學受益良多，但電池領域的進展卻伐善可陳，最新研究改變了這一現(xiàn)狀。同樣功能的新電池的“個頭”僅為原電池的十分之一，新電池可用在汽車內。

美國科學家制造出一種擁有三維電極的新式“微電池”模型，與目前的商用電池相比，同樣功能的新電池僅為其十分之一，而再充電速度則為其1000倍。

英國劍橋大學化學系的克萊爾·格雷教授表示：“挑戰(zhàn)在于制造出一個足夠穩(wěn)固的微電池陣列，通過一個成本低廉且可不斷擴大的過程，使整個電池陣列不出現(xiàn)一次短路?！迸＝虼髮W無機化學和能源領域的專家皮特·愛德華茲也指出：“最新研究證明了我們可以獲得很高的能量密度，但問題在于如何擴大規(guī)模以便進行工業(yè)化生產(chǎn)，同時找到更簡單的制造方法并解決安全問題。我并不知道這種微電池是否容易自燃，鈷酸鋰電池就存在這一問題。”

金承認，因為目前使用的液體容易自燃，安全問題確實存在。他表示，測試設備使用的液體很少，這就使發(fā)生爆炸的危險微乎其微，但如果電池被做得很大，危險可能會隨之增加。但他計劃改用更安全的聚合物電解液來解決這個問題，希望今年年底前，該技術能夠實現(xiàn)為電子設備和汽車供電。

利用 ICP 技術刻蝕硅形成深槽制作三維結構，則其表面積相對于二維平面結構將會有較大的增加。B 表示同底面積上三維立體結構所增大表面積的倍數(shù)，S2D、S3D 分別代表二維(平面)結構和三維結構表面積，L 為梳齒總長度，W為總寬度，H 為梳齒高度，W1 為單個梳齒寬度，W2為兩個梳齒之間的距離，則單個梳齒長度為 W－2W1–W₂.

功能薄膜是指微型電化學儲能器件陰、陽兩電極上具備儲能特性的化學活性物質，它是決定微電極儲能性質的關鍵因素，因而要獲得性能指標好的微型超級電容器，首先必須制備容量大、內阻低、性能穩(wěn)定、結構強度高的電極功能薄膜材料. 功能薄膜材料的制備方法很多， 其中電化學沉積工藝具有工藝簡單. 過程易控、兼容性好等優(yōu)點，易于制備三維微電極. 氧化釕材料相對于其他超電容材料，具有內阻小、容量大等特點.采用電化學陰極恒流電沉積方法在三維微柱陣列的金屬集流體上沉積氧化釕功能薄膜，具體制備工藝如下：①清洗三維微柱，烘干待用；②配制電沉積溶液， 用去離子水配制RuCl3 ·3H2O和NaNO3的混合溶液， 濃度分別為5×10-3 mol/L和200×10-3 mol/L；③調節(jié)pH值至2.0；④電沉積功能薄膜，采用CHI660B電化學工作站（上海辰華儀器公司），以三維微柱為工作電極（陰極），Pt電極（鉑片4 mm×4 mm）為對電極（陽極），取適量電沉積溶液，選擇合適的電流和時間進行恒流電沉積；⑤清洗和干燥，使用SEM觀察微電極的表面形貌 。

微電極結構采用 ICP 技術制備。將硅片清洗干凈并放入烘箱烘 10 min，濺射 200 nm，鋁膜作為刻蝕的掩膜，用 AZ1500 光刻膠轉印圖案，曝光、顯影，腐蝕鋁膜，露出刻蝕窗口進行 ICP 刻蝕。 刻蝕工藝參數(shù)如下： 腔室溫度 40 ℃，硅片溫度 25 ℃，射頻功率 600 W，電壓 300 V，總刻蝕時間 80 min?？涛g過程中 SF6流量為 150 mL/min，O2流量為 12 mL/min，直流偏置電壓為 120 V，功率為20 W，腔內氣壓 2.67 Pa。淀積過程中的 C4F8 流量為85 mL/min，腔內氣壓 5.33 Pa 。