飞秒激光直写真三维自由基微电极的研究

Microelectronics have benefitted from continuous miniaturization and integration, whereas there has been much less progress in miniaturization and performance of power sources. A battery architecture based on 3D integrated porous microelectrodes could achieve high-power density without sacrificing energy density by combining small ion diffusion distances, large percentage of active material and highly conductive electrodes. Such a microarchitecture could also enable miniature batteries suitable for microelectronics integration. Organic radical battery (ORB) is a redox but stable free radical polymer-based rechargeable battery of high power density, rapid charging /discharging speed, good stability, environmental friendly, easy processing and wide raw material sources. 3D structured ORB micro-batteries are proposed in this project by femtosecond laser direct writing (FsLDW) method because of its unique 3D processing capability, arbitrary-shape designability, and high fabricating accuracy. The project is expected to develop electrode materials for FsLDW, as well as establish the principle and method for FsLDW 3D micro-electrode. The results would provide scientific basis and key technologies for further 3D micro-battery fabricated by FsLDW, and give great significance for high-performance batteries.

电子元件体积的持续小型化和高度集成化对电池的体积和性能提出了较高的要求，材料及加工方法是制约电池体积微纳化和性能提高的瓶颈。多孔周期性三维电极结构，有利于缩短离子扩散路径，提高电极导电性和电极活性，实现电池功率密度和能量密度的同时提高。有机自由基电池是一类基于稳定自由基聚合物的氧化还原特性的新型可充电电池，具有高功率密度、快速充放电、循环稳定性好，安全环保、易加工、材料来源广等优势。本项目将结合自由基电池与飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术高精度、良好的空间分辨率和真三维加工的优势，发展真三维结构微电池激光制造的新材料、新原理的和新方法。项目预期实现满足飞秒激光三维直写电极材料的组分设计，确立飞秒脉冲激光直写自由基真三维微电极的基本原理和方法。项目的研究结果可以为发展基于飞秒激光直写技术的真三维结构电池的制备提供理论基础和关键技术，对发展高性能电池具有重要意义。

电子元件体积的持续小型化和高度集成化，促进了微电子技术的发展，并进一步对微传感器、微机械、纳米机器人和场效应晶体管等领域的发展起到了重大影响。然而，其能源供给仍通过外接电路来实现，电池的小型化和高性能进展缓慢，其中材料及加工工艺是制约电池体积微纳化和性能提高的瓶颈。通过光刻技术在芯片上原位制备全固态微电池（包括正极、负极、固体电解质等）是微电子元件发展的重要趋势。光刻技术如UV光刻，电子束光刻从技术上为微电池的制备提供了很大的灵活性，但要求光刻材料在加工波长区间保持光学透明。传统的无机类电池材料和导电材料由于溶解性差，无法用于光刻技术。本项目利用有机自由基聚合物材料良好的储能性能和溶解性，制备了一类可光刻的电极储能材料Li+-eSU8。研究了Li+-eSU8的储能特性和光刻工艺，结果表明：Li+-eSU8能提供0.68 V vs. Ag/AgCl电压，薄膜能量密度0.2 nAh.cm-2.um-1，为理论值的1/8。Li+-eSU8电极在2 uA/cm2电流密度连续充/放电60次后，容量下降40%，库仑效率接近100%。Li+-eSU8材料引入LiClO4用作离子导体，一方面降低了SU8的交联密度至0.43，另一方面增加了Li+-eSU8电极的储能容量7倍以上和CV循环稳定性，500次循环仍能保持50%的容量。研究确立了Li+-eSU8的UVA光刻工艺和飞秒激光直写工艺，UVA光刻分辨率为10 um，飞秒激光直写分辨率为600 nm。进一步，在硅片上套刻制备了Φ30 um全固态Li+-eSU8 / Li+-SU8 / Si半电池，表征了其性能：电压0.67 V vs. Ag/AgC，容量1 x 10-6 mAh/cm-2。该项目为原位制备微纳电池提供一种新思路，所实现的电极储能材料和其光刻技术可将能源集成到微电子技术，在机器人、医疗和通讯器材等在微小设备领域有一定的应用前景。