CN104377381B - 一种超低温板载微能源系统及其制造方法、正极制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种超低温板载微能源系统，是一种用于超低温环境下集成电路板的微能源，可用于解决超低温环境下集成电路板的电力供应问题。超低温板载微能源系统，是直接加工在集成电路板上的微电池，微电池的负极为金属锂，微电池的正极为TiO2纳米管阵列微电极，电解液为在‑40℃时仍不凝固仍具有导电性的LiBF4/PC电解液，所述微电池无隔膜。本发明可以作为板载微能源系统使用，在‑40℃条件下为微电子器件、集成电路板、微传感器提供必要的电力供应。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池，尤其涉及一种超低温板载微能源系统。用于超低温环境下集成电路板的微能源，解决超低温环境下集成电路板的电力供应问题。
背景技术
我国北方冬季最低气温可达到-40℃，在西藏高原地区，-40℃的气温也是比较常见；在南北极的科学考察中，-40℃的气温也是比较常见的。在这些地区，一些无人维护的仪器和设备的电力供应问题比较突出。
这些免维护仪器和设备具有监视当地气象、环境、人员等信息的功能，对科研、军事都具有重要的意义。
免维护仪器的电源供应问题比较突出，比较合适的解决方案是在集成电路板上集成微电源系统。对微电源系统的主要要求是在-40℃环境下可以正常工作。很明显，水系二次电池是不能满足这一条件的，适合的电池系统主要是两类，一类是核电池，另一类就是锂电池。
一般的锂电池可以在-10℃以上的温度下正常工作，比如碳酸乙烯酯和碳酸甲乙酯，但是在-40℃下，一般的电解液体系都会凝固。此外，在-40℃下，大部分电极材料的电化学性能都有所衰减。
发明内容
本发明要解决上述技术问题，从而提供一种超低温板载微能源系统，它能在-40℃的环境下正常工作。
本发明解决上述问题的技术方案如下：
一种超低温板载微能源系统，负极为金属锂，正极为TiO2纳米阵列微电极，电解液为LiBF4/PC，所述超低温板载微能源系统无隔膜。
微电池的负极为金属锂：在-40℃的条件下，常温下通常使用的电池性能会严重衰减，影响因素主要是负极碳基材料，本发明直接使用金属锂，能够最大程度的保证负极的性能；原则上，在任何温度下都是金属锂的放电性能是最好的；
微电池的正极是TiO2纳米阵列微电极：板载微能源系统，是直接加工在集成电路板上的微电池，要求具有可加工性，一般的传统正极材料可加工性不好，但是，TiO2纳米管微阵列电极可以直接在钛箔金属上加工而成，加工后的纳米管微阵列电极可直接压制到板载微能源系统上；
电解液为0.01M LiBF4/PC电解液：该电解液在-40℃仍然具有一定的导电性，不凝固；
该微电池体系不适用隔膜：1）不使用隔膜，这保证了可加工性同时还能避免引入隔膜产生的高内阻；2）金属锂的使用，最大限度保证负极低温性能的同时，又能避免碳材料存在的结构崩溃现象（PC共嵌入引起的）；
正极为TiO2纳米管阵列微电极：纳米结构的大比表面积保证了低温下的放电性能。
作为上述技术方案的优选，所述电解液为0.005～0.05M LiBF4/PC电解液。
作为上述技术方案的优选，所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极全嵌入到硅片中，正极至少有部分裸露。
本发明的另一个目的是提供一种TiO2纳米阵列电极的制造方法。
具体技术方案如下：在含F有机醇和水的混合溶液中，以钛箔作为工作电极，以金属铂作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450℃下加热刻蚀处理后的电极，得到纳米阵列电极。
本发明的还一个目的是提供一种超低温板载微能源系统的制造方法。
技术方案具体为：在含F有机醇和水的混合溶液中，以钛箔作为工作电极，以金属铂作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450℃下加热刻蚀处理后的电极，得到纳米阵列电极；在加工好的带有导线的硅片上通过微加工方法形成凹槽，在凹槽底部放置金属锂片，在锂片上侧放置带孔小硅片，然后注入电解液，最后在最外侧放置所述纳米阵列电极，构成所述超低温板载微能源系统。
本发明具有以下有益效果：
本发明涉及一种锂电池体系，可以在-40℃温度下工作，可以作为板载微能源系统使用，在-40℃条件下为微电子器件、集成电路板、微传感器提供必要的电力供应。电池在低温下可以维持运行，放电后可以在常温下进行充电。
附图说明
图1是本发明在电镜下的照片；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的顶视图；
图中，1-负极，2-电解液，3-正极，4-导线。
具体实施方式
本具体实施方式仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制。本领域技术人员在阅读了本发明的说明书之后所作出的任何改变，只要在权利要求书的范围内，都将受到专利法的保护。
如图1-3所示，一种超低温板载微能源系统，是直接加工在集成电路板上的微电池，负极1为金属锂，正极3为TiO2纳米阵列微电极，电解液2为LiBF4/PC，所述超低温板载微能源系统无隔膜。如图2所示，所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极1全嵌入到硅片中，正极3至少有部分裸露。图3是顶视图，此时只能看到正极TiO2纳米阵列微电极。根据Ahhrennius公式可以估算出板载微能源的能量密度在2-5mAh/cm2/mm，可以满足极度严寒条件下的特种需要。
微电池电极及微电池制备方法简述：
在含F有机醇和水的混合溶液中，以钛箔作为工作电极，以金属铂作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450℃下加热刻蚀处理后的电极，即可得到纳米阵列电极。
在加工好的带有导线的硅片上通过微加工方法形成凹槽，在凹槽底部放置金属锂片，在锂片上侧放置带孔小硅片，然后注入电解液，最后在最外侧放置纳米阵列TiO2电极，即可构成微电池。
测试过程为：锂片电极作为负极，TiO2作为正极，在1.0-2.5V范围内在0.001mA电流密度下在不同温度下测试微电池的容量。
实施例1：
一种超低温板载微能源系统，负极为金属锂，正极为采用直流脉冲腐蚀技术结合热处理的后处理技术制备的TiO2纳米阵列微电极，电解液为0.005M LiBF4/PC，所述超低温板载微能源系统无隔膜。所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极全嵌入到硅片中，正极至少有部分裸露。在-40℃环境下，可逆充放电容量为4.3mAh/cm2/mm，循环次数为300次。
实施例2：
一种超低温板载微能源系统，负极为金属锂，正极为采用直流脉冲腐蚀技术结合热处理的后处理技术制备的TiO2纳米阵列微电极，电解液为0.05M LiBF4/PC，所述超低温板载微能源系统无隔膜。所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极全嵌入到硅片中，正极至少有部分裸露。在-40℃环境下，可逆充放电容量为2.0mAh/cm2/mm，循环次数为100次。
实施例3：
一种超低温板载微能源系统，负极为金属锂，正极为采用直流脉冲腐蚀技术结合热处理的后处理技术制备的TiO2纳米阵列微电极，电解液为0.02M LiBF4/PC，所述超低温板载微能源系统无隔膜。所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极全嵌入到硅片中，正极至少有部分裸露。在-40℃环境下，可逆充放电容量为2.9mAh/cm2/mm，循环次数为152次。
实施例4：
一种超低温板载微能源系统，负极为金属锂，正极为采用直流脉冲腐蚀技术结合热处理的后处理技术制备的TiO2纳米阵列微电极，电解液为0.01M LiBF4/PC，所述超低温板载微能源系统无隔膜。所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极全嵌入到硅片中，正极至少有部分裸露。在-40℃环境下，可逆充放电容量为4.95mAh/cm2/mm，循环次数为700次。在-50℃下，可逆充放电容量为2.1mAh/cm2/mm，循环次数为300次。在-30℃下，可逆充放电容量为5.6mAh/cm2/mm，循环次数为803次。
Claims (4)
1.一种超低温板载微能源系统，是直接加工在集成电路板上的微电池，其特征在于：负极为金属锂，正极为TiO2纳米阵列微电极，电解液为LiBF4/PC；
且由以下方法制造：在加工好的带有导线的硅片上通过微加工方法形成凹槽，在凹槽底部放置金属锂片，在锂片上侧放置带孔小硅片，然后注入电解液，最后在最外侧放置所述纳米阵列微电极，构成所述超低温板载微能源系统。
2.根据权利要求1所述的一种超低温板载微能源系统，其特征在于：所述电解液为0.005～0.05M LiBF4/PC电解液。
3.根据权利要求1所述的一种超低温板载微能源系统，其特征在于：所述超低温板载微能源系统半嵌入在硅片中；其中，负极全嵌入到硅片中，正极至少有部分裸露。
4.一种超低温板载微能源系统的制造方法，其特征在于：在加工好的带有导线的硅片上通过微加工方法形成凹槽，在凹槽底部放置金属锂片，在锂片上侧放置带孔小硅片，然后注入电解液，最后在最外侧放置纳米阵列电极，构成所述超低温板载微能源系统；
所述纳米阵列电极由以下方法制造：在含F有机醇和水的混合溶液中，以钛箔作为工作电极，以金属铂作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450℃下加热刻蚀处理后的电极，得到纳米阵列电极。
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