CN1266785C - 电池和其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池和其制备方法，所述电池包括：一正极；面向所述正极设置的一负极；和一隔离膜位于所述正极和负极之间；正极和负极面向隔离膜的表面为内表面，所述正极和负极面向隔离膜的内表面具有多个多阶梯式凹槽。本发明还提供一种制备上述电池的方法，其包括以下步骤：提供一电池电极，包括一正极和一负极；在电池电极表面使用光刻技术蚀刻成多个纳米级多阶梯式凹槽。本发明的电池能显著增加电池能量密度，适用于锂电池、高分子锂电池等。

Description

电池和其制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种电池和其制备方法。
【背景技术】
电池是一将化学能转换成电能的装置，因为具有可携带、多种组合、高能量密度以及无排放噪音和废气的优点，所以在许多领域受到普遍应用，尤其是计算机(Computing)，通讯(Communication)和消费性电子产品(ConsumerElectronics)的3C产业。
电池主要由四部分构成：电极(含正极与负极)、电解液、隔离物和罐体。一般提高电池能量密度的方法有两种：一是通过开发高负载容量的电极材料使电池能量密度提高，如锂电池负极从天然石墨到纳米碳管；二是通过增加电池电极的反应接触面积使电池能量密度提高。一般电池电极的反应表面为平整表面或自然形成的多孔表面结构，其有效的电极表面积(Surface Area ofElectrodes)仅限于反应平整表面或多孔表面，如在单位空间内直接增大电池电极或采用绻曲电池电极的方法，虽然能提高电池电极能量密度，但是相应增大电池的体积或重量，不利于电池小型化发展。
有鉴于此，提供一种增加电池能量密度却不增大电池体积或重量的电池实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能在不增加电池体积或重量下使电池能量密度增加的电池。
本发明的另一目的在于提供上述电池的制备方法。
为实现本发明目的，本发明提供一种电池，所述电池包括：
一正极；面向所述正极设置的一负极；
和一隔离膜位于所述正极和负极之间；
正极和负极面向隔离膜的表面为内表面；
所述正极和负极的至少一内表面具有多个纳米级多阶梯式凹槽。
本发明还提供一种制备上述电池的方法，其包括以下步骤：
提供一电池电极，包括一正极和一负极；
在电池电极表面使用光刻技术蚀刻成多个纳米级多阶梯式凹槽。
与现有技术相比较，本发明揭露的正极和负极多个纳米级多阶梯式凹槽表面或锯齿(zig-zag)结构的表面能使电极反应的离子有更多的电极表面积，而且在不增加电池体积和重量的情况下有效增加了电极反应表面积，达到增加电池能量密度的效果。
【附图说明】
图1是第一实施例一锂电池正极的侧面示意图。
图2是第一次光刻中的光罩板的侧面示意图。
图3是锂电池正极涂覆光阻层的侧面示意图。
图4至图6是锂电池正极第一次曝光、显影、蚀刻的步骤示意图。
图7是锂电池正极刻蚀一个深度单位的侧面示意图。
图8是第二次光刻的光罩板的侧面示意图。
图9是图7的锂电池正极涂覆光阻层的侧面示意图。
图10至图12是锂电池正极第二次曝光、显影、蚀刻的步骤示意图。
图13是锂电池正极蚀刻三个深度单位的侧面示意图。
图14是第一实施例一锂电池的示意图。
图15是第二实施例一锂电池的示意图。
【具体实施方式】
如图14所示，本发明第一实施例以锂电池为例作详细说明：一般的锂电池主要包括负极(Anode)、正极(Cathode)、隔离膜(Separator)和电解液(Electrolyte)，在充放电过程中，锂离子可在负极与正极之间移动。锂电池正极材料主要是含锂过渡金属氧化物，包括LiNiO2、LiCoO2和LiMn2O4等。锂电池负极材料主要是以石墨系碳材与锡氧化物为主。
本发明的锂电池包括一正极10，其材料为LiCoO2；一负极10’，与正极10相正对，其材料为石墨；一隔离膜12，位于正极10和负极10’之间，其材料为有机聚合物；正极10面向隔离膜12的一面为内表面102，内表面102是具有多个纳米级多阶梯式凹槽结构的表面，负极10’具有相同的多个纳米级多阶梯式凹槽结构。该多个纳米级多阶梯式凹槽结构在不增加电池体积和重量的情况下有效增加了电极反应表面积，达到增加电池能量密度的效果。
本发明的第一实施例是通过光刻技术对电池电极表面进行蚀刻，形成具有多个纳米级多阶梯式凹槽结构的表面。现以锂电池正极为例详细描述光刻过程。
请参阅图1，首先提供一锂电池正极10。
锂电池正极10包括一外表面102’和内表面102，该内表面102为平整表面。
为使锂电池正极的内表面102形成一平整表面，可通过机械抛光或化学抛光等方法，使得内表面102平整。其平整度越小越好，以利后续步骤光阻层容易形成。
请参阅图2，提供一光罩板111，其分辨率为100lines/mm。该光罩板尺寸与内表面102相同。
请参阅图3，在锂电池正极的内表面102上形成一层光阻层121。
请参阅图4，对上述光阻层121进行曝光。在光阻层121表面放上光罩板111进行对准曝光。对准曝光可在曝光机(Aligner)或步进机(Stepper)上以紫外光照射的；也可直接以电子束书写机(E-beam writer)，一点一点进行曝照。
请参阅图5，再将曝光区域的光阻层洗去，剩下的光阻图形在烤干后，可作为下一道蚀刻的罩幕(Masking)使用。
请参阅图6，在已显影的电池电极内表面102上进行光刻或微光显影。在光阻层121被溶解的部位，将电池电极平整内表面102往下刻蚀出凹槽，刻蚀深度可由计算器控制。
请参阅图7，用氰化钾等溶液腐蚀锂电池正极内表面102，除去光阻层121，得到只有一个台阶光栅的内表面102。
请参阅图8所示，为制做多阶梯式光栅表面，提供第二个光罩板112。该光罩板112分辨率为300lines/mm。
请参阅图9至图12所示，在图7制得的锂电池正极内表面102上再重复以上涂覆光阻层123、曝光、显影、刻蚀和去除剩余光阻层123等步骤，其中刻蚀深度为第一次刻蚀深度的一半，可制得具有多个均匀多阶梯式凹槽的锂电池正极10，如图13所示。
请参阅图13所示，根据上述方法制备的锂电池正极包括一外表面102’和一内表面102，内表面102为一多个纳米级多阶梯式凹槽结构，其每一周期102T为一具有多个台阶的阶梯，各台阶高度102h相等，台阶高度小于100纳米，各台阶宽度102b相等。
根据上述的光刻技术同样可在锂电池负极表面进行，其相关的技术条件可根据负极材料的特性作相应的改变以达到同样的技术效果。
所述技术领域的普通技术人员容易得知，通过改变光罩板的分辨率再经多次光刻可形成非对称阶梯式凹槽，上述凹槽同样能达到相同技术效果。
请参阅图15所示，本发明的第二实施例是通过光刻技术对电池电极表面进行光刻，形成具有多个纳米级锯齿(zig-zag)结构的表面。
本实施例的电池锂包括：电池电极，含一正极11和一负极11’；在正极11与负极11’之间有一隔离膜12。正极11面向隔离膜12的表面为内表面112，在内表面112通过光刻技术刻出具有多个锯齿(zig-zag)结构，正极11的内表面112相邻锯齿顶端的间距为1～100纳米，负极11’具有相同的多个锯齿(zig-zag)结构。
本发明的电池的电池电极表面结构的改进适用于锂电池、高分子锂电池等，可在不增加电池体积或重量的情况下增大电极表面积，从而提高电池容量。

Claims (9)

1.一种电池，所述电池包括：
一正极；面向所述正极设置的一负极；
和位于所述正极和负极之间的一隔离膜；
正极和负极面向隔离膜的表面为内表面，其特征在于所述正极和负极面向
隔离膜的内表面至少一面具有多个多阶梯式凹槽。
2.如权利要求1所述的一种电池，其特征在于多阶梯式凹槽结构包括多个周期，每一周期包括一多个台阶组成的阶梯式凹槽。
3.如权利要求2所述的一种电池，其特征在于多阶梯式凹槽结构为对称结构的阶梯式凹槽。
4.如权利要求2所述的一种电池，其特征在于多阶梯式凹槽结构为非对称结构的阶梯式凹槽。
5.如权利要求1所述的一种电池，其特征在于多阶梯式凹槽的每一周期的台阶高度范围为1～100纳米。
6.一种电池的制备方法，其包括以下步骤：
提供一电池电极，包括一正极和一负极；
其特征在于在至少一电池电极表面使用光刻技术蚀刻成多个多阶梯式凹槽。
7.如权利要求6所述的一种电池的制备方法，其特征在于在电池电极表面使用光刻技术蚀刻成多个多阶梯式凹槽，包括如下分步骤：
形成一层光阻层在电池电极内表面；
将一光罩放置在该光阻层上方，该光罩的分辨率为R；
经过曝光，在电池电极内表面上刻蚀形成一阶凹槽；
重复制做光罩板、曝光、刻蚀，其中使用的光罩的分辨率为3R，相应得
到的凹槽为4阶对称阶梯式凹槽。
8.如权利要求6所述的一种电池的制备方法，其特征在于曝光是用曝光机或步进机以紫外光曝光或电子束书写机进行曝光。
9.如权利要求6所述的一种电池的制备方法，其特征在于刻蚀是用光刻或微光显影技术。
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