一种mems锂电池及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池制造领域，更具体地涉及一种MEMS锂电池及其制造方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)，也叫做微电子机械系统、微系统或微机械，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。
[0003]MEMS集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体，是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS可大批量生产，常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微栗、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等，以及它们的集成产品O
[0004]MEMS技术的发展，带来了很多技术和材料的变化，其中对于很多独立的MEMS设备来说，由于尺寸特别小，给其提供能源比较困难，作为MEMS技术的分支，目前微能源部分主要包括燃料电池。但是燃料电池在补充燃料、生成气体产物、使用寿命等方面都还存在不尽如人意的地方。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提供一种MEMS锂电池及其制造方法，从而可以利用微机械制造工艺来制造锂电池。
[0006]为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种MEMS锂电池，包括:
[0007]第一外壳，采用半导体材料制成，其上形成有一空腔且在所述空腔内一体形成所述MEMS锂电池的正极；
[0008]第二外壳，采用与第一外壳相同材料的半导体材料制成，其上形成有一与所述第一外壳相对接的空腔，且在所述空腔内一体形成所述MEMS锂电池的负极；以及
[0009]电解质，容纳于第一外壳和第二外壳之间的空腔内。
[0010]其中，所述半导体材料为硅基、玻璃、碳基或砷化镓材料，优选为硅基材料。
[0011]其中，所述正极采用下列材料之一制备:LiCo02、LiN12, LiMnO2S LiFePO4;或者，Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]02、LiNi1 xMnx02, LiNi1 ,CoxO2^ LiNi ! x yCoxMny02，其中 x、y 为实数，O < x< 1，0 < y < I ;或者，将LiCo02、LiNi02、LiMn02、LiFePO4通过掺杂或包覆形成新的正极材料。掺杂元素包括 Mg、N1、Mn、Zr、T1、V、Mo 或 Ga。包覆材料包括 C、CuO, Al2O3' ZrO2, Co3O4'Li4Ti5012、LaF3或 AlF 3。
[0012]正极优选采用下列材料之一制备:LiFeP04/C复合材料、LiCo02/C复合材料或LiNi1 xCox02复合材料。进一步优选采用Li [Ni 1/3Co1/3Mn1/3] O2作为正极的材料。
[0013]负极选用下列材料之一制备:石墨、或以石墨烯为起始物合成的复合材料。以石墨烯为起始物合成的复合材料为金属或金属氧化物与石墨烯复合的复合材料，其中金属为S1、Ge、Sb、Sn 或 Pt，金属氧化物为 Fe304、Ni0、Co304、Sn02、Sn0、W02、Mo02、V02、Ti02、LixFe203、Li4Mn2O12IiJc Li 4Ti5012。
[0014]优选采用3]102与石墨稀的复合材料作为负极材料。
[0015]正极和负极均采用三维立柱阵列结构，以立柱阵列作为支架，分别在其表面修饰固定不同的纳米材料以形成正极和负极。三维立柱阵列中每一个立柱的形状为圆柱体、圆锥体、圆台、瓶子形、正六面棱柱或Y字形棱柱。三维立柱阵列中每一个立柱的形状优选为圆柱体或Y字形棱柱结构。
[0016]正极和负极的三维立柱阵列分别形成错开的两个矩阵。
[0017]正极和负极的三维立柱阵列形成了叉指结构。
[0018]电解质为非水系有机电解质，优选为非水系有机电解质，例如以锂盐为溶质溶于有机溶剂制成的非水有机电解质，进一步优选的电解质为=LiPF6溶解在乙烯碳酸酯、二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯和甲基乙基碳酸酯按一定比例配制的四元溶剂里配制成的电解质。
[0019]电解质也可以为胶体形态的非水系电解质。
[0020]MEMS锂电池在正负极之间还设置有隔离墙。
[0021]第一外壳和第二外壳之间采用键合密封或BCB密封。
[0022]MEMS锂电池排成网格组成电池组来共同向外供电。
[0023]作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种MEMS锂电池的制备方法，包括以下步骤:
[0024]以半导体材料为基底，通过掩膜和光刻胶技术在所述凸台上形成引出电极；
[0025]通过掩膜和光刻胶技术在所述基底上表面上形成三维立柱阵列及第一壳体上的池体；
[0026]在所述三维立柱阵列表面修饰固定纳米材料作为正极；
[0027]利用同样的方法，制备出包含负极部分的第二壳体，在所述第二壳体上形成三维立柱阵列、第二壳体上的池体及引出电极，并在所述三维立柱阵列表面修饰固定纳米材料作为负极；
[0028]将所述第一壳体和第二壳体对准并封装，形成电池的壳体；
[0029]其中，在将第一壳体和第二壳体对准并封装的步骤之后，还包括从预留的注样孔注入电解质，待电解质充满池体后密封注样孔，从而得到MEMS锂电池的步骤。
[0030]其中，在三维立柱阵列表面修饰固定纳米材料作为负极的步骤之后，还包括在所述第一壳体和第二壳体上的池体中填充胶体电解质的步骤。
[0031]其中，通过掩膜和光刻胶技术在所述基底上形成引出电极的步骤中，包括在所述凸台上形成Au/Cr金属层作为掩膜的步骤，其中所述Au层厚度为100?500nm，优选为200nm，Cr层厚度为10?50nm，优选为20nm。
[0032]其中，在形成引出电极之前，通过深刻蚀或化学腐蚀工艺在该基底上表面上形成凸台，从而在其后的蚀刻工艺过程中，利用该凸台形成叉指结构。
[0033]作为本发明的再一个方面，本发明还提供了一种在三维立柱阵列表面形成多孔结构的方法，包括以下步骤:
[0034](I)配制腐蚀液，其中HF: H2O2:乙醇:H2O= 11: 1:4: 12，以重量配比计；
[0035](2)以娃片为基底，在其表面派射一层金属作为电极；
[0036](3)将电极与待制备多孔硅层的硅基基底面对面垂直放置在所述腐蚀液中，并与外部电源连接；
[0037](4)腐蚀20?60分钟，在所述三维立柱阵列表面形成多孔结构。
[0038]其中，步骤⑵中电极为Au或Pt电极。
[0039]其中，步骤(3)中外部电源的电流密度为20?150mA/cm2，优选为80mA/cm2。
[0040]其中，步骤(4)中形成的多孔结构中多孔硅的厚度在I?50微米之间，优选为15微米。
[0041]基于上述技术方案可知，本发明的MEMS锂电池具有以下优点及有益效果:(I)本发明采用硅作为基底，利用体硅工艺，分别在2个硅基上加工出三维体结构的正极、负极以及电池池体，其制备工艺相对比较简单，可批量化生产，降低生产成本；(2)在不同的硅基上，分别制备正极和负极，可避免修饰固定正极材料和负极材料相互混合干扰，造成电极短路，可大幅提高电池制备的一致性和可靠性；(3)在硅基底上加工出微型硅立柱阵列作为电极(正极和负极)的支架，可使电极由二维结构变成三维结构，大幅提高了电极的表面积，提高离子迀移数，使得电池的能量密度及功率密度得到大幅提高；(4)正极与负极形成叉指