一种超低温板载微能源系统及其制造方法、正极制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种超低温板载微能源系统及其制造方法、正极制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]我国北方冬季最低气温可达到-40°C，在西藏高原地区，-40°C的气温也是比较常见；在南北极的科学考察中，_40°C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。
[0003]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。
[0004]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°C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。
[0005]一般的锂电池可以在-10°C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°C下，一般的电解液体系都会凝固。此外，在_40°C下，大部分电极材料的电化学性能都有所衰减。
【发明内容】
[0006]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°C的环境下正常工作。
[0007]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T12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。
[0008]微电池的负极为金属锂:在-40°C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T12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，T12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0.0lM LiBF4/PC电解液:该电解液在-40°C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T12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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]本发明的另一个目的是提供一种T12纳米阵列电极的制造方法。
[0012]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，以金属钼作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450°C下加热刻蚀处理后的电极，得到纳米阵列电极。
[0013]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。
[0014]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，以金属钼作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450°C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。
[0015]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°C温度下工作，可以作为板载微能源系统使用，在-40°C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。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]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】
[0017]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。
[0018]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I为金属锂，正极3为T12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I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T12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。
[0019]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，以金属钼作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450°C下加热刻蚀处理后的电极，即可得到纳米阵列电极。
[0020]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T12电极，即可构成微电池。
[0021]测试过程为:锂片电极作为负极，T12作为正极，在1.0-2.5V范围内在0.0OlmA电流密度下在不同温度下测试微电池的容量。
[0022]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T12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°C环境下，可逆充放电容量为4.3mAh/Cm2/mm，循环次数为300 次。
[0023]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T12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°C环境下，可逆充放电容量为2.0mAh/Cm2/mm，循环次数为100 次。
[0024]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T12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°C环境下，可逆充放电容量为2.9mAh/Cm2/mm，循环次数为152 次。
[0025]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T12纳米阵列微电极，电解液为0.0lM 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°C环境下，可逆充放电容量为4.95mAh/cm2/mm，循环次数为700次。在_50°C下，可逆充放电容量为2.lmAh/cm2/mm，循环次数为300次。在_30°C下，可逆充放电容量为5.6mAh/cm2/mm，循环次数为803次。
【权利要求】
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T12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。
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.T12纳米阵列电极的制造方法:其特征在于:在含F有机醇和水的混合溶液中，以钛箔作为工作电极，以金属钼作为辅助电极，通过交变的直流电对钛箔进行表面刻蚀处理，然后再在450°C下加热刻蚀处理后的电极，得到纳米阵列电极。
5.一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，最后在最外侧放置采用权利要求4所述方法制得的纳米阵列电极，构成所述超低温板载微能源系统。
【文档编号】H01M4/139GK104377381SQ201410618517
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】胡博, 徐艳辉, 吕猛, 郭雷 申请人:湖州创亚动力电池材料有限公司