CN101538704A - 一种硅基微通道上无电镀镍的方法 - Google Patents

一种硅基微通道上无电镀镍的方法 Download PDF

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苗凤娟
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Abstract

本发明公开了一种硅基微通道上无电镀镍的方法，包括以下步骤：将制备好的微通道放入含有1％聚乙二醇辛基苯基醚的水溶液中浸润10～30秒。将六水合流酸镍、十二烷基硫酸钠、氟化氨、柠檬酸钠、氨水和硫酸铵配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入溶液，溶液保持碱性环境pH值在7.5－8.5，温度控制在80－85摄氏度，沉积5－10分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，从而得到高比表面积的3D电流收集层。这种硅基微通道的无电镍沉积技术的有益效果是：成本低，操作简单，实现容易；其微通道孔度均匀，比表面积和深宽比较大。

Description

一种硅基微通道上无电镀镍的方法
技术领域
本发明涉及一种硅基微通道上无电镀镍的方法，具体为一种无电沉积镍的无电镀液配方和在硅基通微道上无电沉积镍的方法，属于微机电系统(MEMS)加工和无电镀领域。
技术背景
随着MEMS的不断发展，与之集成的片上高能微电池已经成为人们研究的热点。具有低成本、高能量密度、微型化、循环寿命长、安全性能好等优点的高效绿色电源是科研人员追求的目标。薄膜锂电池由于具有短距离内锂离子的快速输运能力使得其比传统电池能提供更大的电流密度和更高的输出功率。影响电池容量的核心问题是离子交换膜的有效面积，显然，平面薄膜锂电池因有效面积的限制而使其容量过低，为此人们采用以硅微通道为衬底构建3D(三维)锂电池来提高其容量。目前，已经发展了诸如通过改善电极的形貌而采用的包括层叠等方法来提高比表面积，从而增加其比输出功率的工艺。然而，要求进一步缩小电池的体积而又能保持电池的容量不变，并且安全可靠，目前的方法需进一步改进。
D.Golodnitsky等人提出利用微通道板作为框架材料，通过在微通道板壁上镀Ni以及MoS2等材料制作电极，以混合聚合体为电解液从而制作出3D锂电池，但因工艺限制其深宽比只能达到约7.5∶1，难以进一步通过增加比表面积来提高电池容量。本发明采用图形化硅微通道化学深刻蚀技术来构建3D锂电池，其深宽比可以高达50∶1，它可以提供较平面衬底高出几个数量级的表面积，使阴极和阳极产生较平板衬底更好的活性。该3D薄膜电池的关键技术之一是三维结构中的镍薄膜电流收集层的制作，它可以通过无电沉积来获得金属薄层，而且成本较低，毒害性小，尽管在大衬底上的无电沉积技术已经有较为广泛的研究，但是在几个微米硅基微通道衬底上无电沉积镍目前还是一个技术性的挑战。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种硅基微通道上无电镀镍的方法，以解决3D薄膜锂电池结构中镍薄膜电流收集层的关键技术，提出采用以硅微通道为衬底并通过无电沉积镍薄膜来实现高比表面积的3D电流收集层制作。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种硅基微通道上无电镀镍的方法，包括以下步骤：
1)准备好硅微通道样品后，将制备好的微通道放入含有1％Triton X-100(聚乙二醇辛基苯基醚)的水溶液中浸润10-30秒。
2)按六水合流酸镍(NiSO4.6H2O)1-2M/L、十二烷基硫酸钠(Sodiumdodecyl sulfate)10-20mg、氟化氨(NH4F)2.5-7.5M/L、柠檬酸钠(Sodium citrate)0.2-0.4M/L、氨水和硫酸铵0.5-1M/L配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入溶液，溶液保持碱性环境pH值在7.5-8.5，温度控制在80-85摄氏度，沉积5-10分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，得到高比表面积的3D电流收集层。
这种硅基微通道的无电镍沉积技术的特征是：
A、硅基微通道的制作工艺与MEMS工艺兼容，主要采用电化学制程，成本低，操作简单，实现容易；其微通道孔度均匀，比表面积和深宽比较大。
B、无电镀镍的镀液配制简单，所用药品常见，价格低廉，成本低，为无磷镀液。该镀液在镍镀层上残留量极低，基本不会对电流收集层产生影响，沉积的镍薄膜分布均匀，结晶状态好。
附图说明
图1a：本发明硅微通道SEM图片的顶视图；
图1b：本发明硅微通道SEM图片的截面图；
图2a：本发明硅微通道无电电镀镍后SEM照片的顶视图；
图2b：本发明硅微通道无电电镀镍后SEM照片的截面图；
图3：本发明硅微通道的无电电镀镍后的EDS图片；
具体实施方式
以下结合附图进一步阐述本发明，并给出实施例。
本发明实施例中所涉及的硅微通道为中国专利申请号为200610025900.7所记载方法制备获得的硅微通道。本实验中，选用的硅微通道的微通道孔为正方形，边长为5微米，壁厚1微米，深250微米，如图1所示。
实施例1
准备好硅微通道样品后，将制备好的微通道放入含有1％TritonX-100(聚乙二醇辛基苯基醚)的水溶液中浸润10s。按六水合流酸镍(NiSO4.6H2O)1M/L、十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)10mg、氟化氨(NH4F)2.5M/L、柠檬酸钠(Sodium citrate)0.2M/L、氨水和硫酸铵0.5M/L配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入该溶液，溶液保持碱性环境PH值为8，温度控制在85摄氏度，沉积5分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，得到高比表面积的3D电流收集层。
实施例2
准备好硅微通道样品后，将制备好的微通道放入含有1％TritonX-100(聚乙二醇辛基苯基醚)的水溶液中浸润30s。按六水合流酸镍(NiSO4.6H2O)2M/L、十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)20mg、氟化氨(NH4F)7.5M/L、柠檬酸钠(Sodium citrate)0.4M/L、氨水和硫酸铵1M/L配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入溶液，溶液保持碱性环境PH值为8，温度控制在85摄氏度，沉积10分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，得到高比表面积的3D电流收集层。
实施例3
准备好硅微通道样品后，将制备好的微通道放入含有1％TritonX-100(聚乙二醇辛基苯基醚)的水溶液中浸润20秒。按六水合流酸镍(NiSO4.6H2O)1.5M/L、十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)15mg、氟化氨(NH4F)5M/L、柠檬酸钠(Sodium citrate)0.3M/L、氨水和硫酸铵0.75M/L配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入溶液，溶液保持碱性环境PH值在8.3左右，温度控制在80摄氏度，沉积8分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，得到高比表面积的3D电流收集层。
实施例4
准备好硅微通道样品后，将制备好的微通道放入含有1％TritonX-100(聚乙二醇辛基苯基醚)的水溶液中浸润10秒。按六水合流酸镍(NiSO4.6H2O)2M/L、十二烷基硫酸钠(Sodium dodecyl sulfate)15mg、氟化氨(NH4F)5.5M/L、柠檬酸钠(Sodium citrate)0.2M/L、氨水和硫酸铵0.5M/L配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入溶液，溶液保持碱性环境PH值在8，温度控制在85摄氏度，沉积10分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，得到高比表面积的3D电流收集层。
上述实施例1-4中涉及无电镀液除非特别声明，其总体积都为200毫升，其硅微通SEM形貌如图1a、图1b；无电镀镍后的Ni/Si-MCP如图2a、图2b，Ni/Si-MCP的ESD测试图谱如图3。
图1a、图1b分别是本发明采用MEMS方法通过电化学阳极腐蚀的硅微通道的SEM顶视图和截面图。从该图可以看出：我们可以通过调整硅衬底上掩膜图案以及刻蚀时间等条件来控制硅微通道的开孔形状与尺寸，本实施例中的硅微通道开孔形状为方形，边长约5微米，壁厚约1微米，深约250微米米；图案规则，微通道内壁光滑。
图2a、图2b分别是Ni/Si-MCP的SEM顶视图和截面图。从图中可以看出，规则的硅微通道内壁被一薄层物质均匀覆盖，说明本发明采用的无电镀方法获得的镀层均匀，催化剂颗粒分散度高。图3是硅微通道镀镍后的内壁上EDS图片，对其的EDS测试结果中只有Ni和Pd峰出现，而没有Si的EDS特征峰，说明硅微通道表面已经被均匀覆盖了金属镍薄膜，且其上均匀地分散着高催化活性的金属Pd颗粒。

Claims (2)

1、一种硅基微通道上无电镀镍的方法，包括以下步骤：
1)将制备好的硅微通道放入含有1％Triton X-100的水溶液中浸润10～30秒。
2)按六水合流酸镍1-2M/L、十二烷基硫酸钠10-20mg、氟化氨2.5-7.5M/L、柠檬酸钠0.2-0.4M/L、氨水和硫酸铵0.5-1M/L配置成溶液，将步骤1)的微通道用去离子水清洗后放入溶液，温度控制在80-85摄氏度，沉积5-10分钟，沉积完毕取出微通道用去离子水冲洗，得到高比表面积的3D电流收集层。
2、根据权利要求1所述的一种硅基微通道上无电镀镍的方法，其特征在于：步骤2)的溶液保持碱性环境pH值在7.5-8.5，
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