基于激光技术构建硅基微型锂电池三维电极及其离子传导机制研究

Three-dimensional(3D) silicon-based micro lithium-ion battery(LIB) energy storage system is currently the best candidate for micro-energy systems due to its high energy/power density, easy miniaturization， good processing compatibility which is also the current hot research topic. However, the processing technology and the energy storage ability of the micro-LIB still need to be optimized and improved. In this project, the direct laser Si etching technique combined with the semiconductor microelectronic thin film technology were together employed to further improve the electrochemical cycliability of the 3D Si based substrate composites electrode. Moreover, the the ion conduction mechanism was also explored based on the 3D microbattery structure and electrode materials and thus finally optimized the construction of the 3D integrated Si-based micro-LIB which can also provide a positive technical foundation for the further application of the integrated micro-energy system.

三维硅基微型锂离子电池储能系统,由于其具备高能量/功率密度、易微型化以及良好的工艺制备兼容性等优点,是目前实现微型能源的最优选择之一,也是当前的研究热点。然而,其在制备方法及储能性能方面仍需进一步优化和提高。本项目中，将激光直写刻蚀技术与半导体微电子薄膜制备工艺相结合，以期望获得电化学性能改善的三维硅基衬底复合电极。同时，探究三维电池结构和材料对离子传导机制的影响，最终完成可集成型三维硅基微型锂离子电池的优化制备，为微能源系统的进一步应用奠定坚实的技术基础。

三维硅基微型锂离子电池储能系统，由于具备高能量/功率密度、 良好的工艺制备兼容性、与微纳智能器件的可集成性，易微型化等优点，是目前实现微能源最优选择之一。本项目中，申请人采用简单可靠的激光直写刻蚀技术和工艺兼容性良好的微电子薄膜制备手段，来协同优化构建硅基复合电极结构，最终成功在硅衬底表面获得两种形式的复合电极，即 i) 图形化的硅/锗阵列微坑电极和 ii)互联的硅/氮化钛/锗复合电极结构。其中，裸露出的三维硅/锗电极将主要参与锂离子的嵌入与脱出，而被氮化钛阻挡层覆盖的硅衬底部分将受到一定抑制，在充放电过程中可有效抑制三维硅衬底电极体积膨胀问题，最终提高三维硅基微型电池的循环寿命。通过循环伏安及恒流充放电测试表征，其优化制备的三维硅/氮化钛/锗复合电极在半电池及全电池测试中，均表现出积极的电化学储锂特性，验证了本项目方案的可行性。此外，通过对循环后的形貌及理论仿真计算分析，进一步验证了电极的结构稳定性，而且也从原理上查验了电化学储能特性提升的本质原因，本项目的顺利完成为微能源系统的进一步应用奠定坚实的技术基础和实验参考。