对于前者，锂聚合物电池是最佳选择，而对于后者，起动用电池则最好选择便宜的铅酸蓄电池。表4-2总结了这些电池在性能上的排序。表4-2 蓄电池的比能量、比功率与循环寿命比较在微小型系统应用中，电池的制造技术与那些常规技术有所不同。除了平面分层加工技术外，这些微型电池目前发生反应的交换表面和衬底上的覆盖面积相当。这样的性能指标能够使锂聚合物电池的放电率与超级电容器相当。......
2023-06-22
微型电池&印制电池：新技术与应用
【摘要】：能源供应方面也经历了同样的过程，厚度不超过几微米的微型电源也开始出现，包括不可充电的微型一次电池，以及可以充电的微型蓄电池。尽管这些微型电源仍处于试验阶段，但已在众多的应用领域中显示出了良好的发展前景，包括智能卡、微机械、电子票等。电化学微型电源是指总厚度不超过几微米的供电系统。然而，微型电池和微型电源目前仍处于研究阶段，行业内的先锋们正在进行样机研制，并在积极开展产业化准备。
自从1991年以来，日本在微型化工业器件、传感器、控制器等方面已经开展了三项大规模的研究项目，美国和欧盟也在此领域紧随其后。这些项目的实施导致了新的制造技术的出现，或者对传统技术进行了改造，尤其是在微电子领域。这也就是我们通常所说的微技术和纳米技术。
能源供应方面也经历了同样的过程，厚度不超过几微米的微型电源也开始出现，包括不可充电的微型一次电池，以及可以充电的微型蓄电池。
尽管这些微型电源仍处于试验阶段，但已在众多的应用领域中显示出了良好的发展前景，包括智能卡、微机械、电子票等。但这类电池不能与纸电池或聚合物电解质电池等袖珍或迷你电池相混淆，这些袖珍电池能够传输很大的电流，但其厚度却达到了几十毫米。
电化学微型电源是指总厚度不超过几微米的供电系统。它采用特殊的薄层技术、阴极雾化技术、热蒸发技术等制成，用于向微型系统供能（微电子、微机械等）。
微型电源是通过微电子技术中的薄层处理方法而制成，能够为微型系统提供更为充足的电流。这类系统与其他采用厚层技术制备的电源系统不同（后者每层的厚度达到了几十微米，通常是将微细粉末进行喷墨打印而制成）。微型电源中每个基本单体电池的厚度约为10μm量级，可根据需要以串并联的方式进行叠加与连接。因此，可以预见，在不远的将来就会出现这样的微型电源，能够以刚性或柔性的方式附在基板上，其表面和厚度可以根据可用体积和性能要求而调整，并可以最终实现远程充电。
微型电源中所采用的材料通常与锂电池一样。然而，薄层的结构使得微型电源具有一些特别之处：前者的化学成分可能会与后者远远不同，而且结构也比较松散。由此导致了微型电源的电化学特性与大型电池区别很大。因此，我们可以从已知的大型电池材料入手，采用薄层技术，获得具有期望特性的新材料。
由于金属锂的诸多优势，使其成为目前微型电源研究中主要采用的负极材料。锂电极材料的性能在传统电池的应用中一直表现良好，而且似乎将其进行薄层处理后也不会产生什么特别的问题。但锂电极也不是没有缺点，一些实验室也正在研究锂的替代材料。采用锂电极的缺点有：首先，负极采用热蒸发技术沉积，而电解质和正极的沉积则采用其他方法，而采用单一的沉积技术也是比较适宜的。另外，由于锂对湿度非常敏感，因此，在保证不增加太多厚度的前提下，进行适当的保护处理是必要的。为弥补这些缺陷，可以采用像正极材料那样的插层材料来替代锂，但要求它们的电位尽可能的低。通过这种方式，插入两个电极，就可以形成微型电源，也称为摇椅微型电源。与采用锂电极的微型电源相比，尽管这类电源的电位差有所减小，但根据不同的应用，并没有太大的关系。然而，利用插层材料作为负极的尝试还是不太多。我们能够明确的材料有Nb2O2和Li4Fe0.5Ti4.5O11.75，它们可以用于全固态微型电源中。那种在大型电池（锂离子电池）中采用石墨取代锂的方案，似乎并不能适用于微型电源。因此，寻求用于负极的非石墨插层材料是微型电源发展过程中的一个非常独特的问题，在这一领域仍然有许多的工作要做。
理想的正极材料既是好的电子导体，又是好的离子导体，其中的过渡元素使锂离子能够可逆地脱嵌。为使电池的能量密度尽可能的高，过渡元素氧化还原反应所对应的电位必须尽可能的高，而摩尔质量必须尽可能的低。
二硫化钛（TiS2）是锂电池所采用的第一种正极材料，使用这种材料制造的全固态微型电源出现于20世纪80年代初。这样的TiS2/glass/Li电池系统可以循环使用1000次，电压范围为1.4～2.6V，电流密度为0.1～0.5mA/cm2。通过在单位Ti中可逆性地插入0.9单位锂离子，可对应获得50μA·h/cm2容量，而且可不随充放电循环而改变。系统的表面积达到了1～10cm2，而且还可以增加。这些微型电池的性能对于某些应用已经足够了，因此可以进行产业化的开发。然而，微型电池和微型电源目前仍处于研究阶段，行业内的先锋们正在进行样机研制，并在积极开展产业化准备。
理论上，过渡元素的氧化物比其硫化物更适合于制备正极材料，而且目前也大量地用于锂电池。因此，在过去的几年内，不断有大量的尝试以薄膜的形式制备它们，并将其应用在微型电源中。按照常规，这些材料在沉积以后需要进行热处理，目的是通过提高薄层的晶化使锂更容易在内部扩散。然而，如果微型电源是被放置在芯片上的话，则热处理可能会是一个问题。
目前研究最广泛的阴极材料之一是LiMn2O4，它是通过正极粉碎技术或热蒸发技术而制备的。LiMnO4/Lipon/Li微型电源的电流密度为10μA/cm2，电压为3.8～4.5V，可循环使用300次。其恒定容量为15μA·h/cm2，几乎保持不变；仅当电流密度为100μA/cm2时，才下降到40%。当然，15μA·h/cm2的容量密度与TiS2相比相对较低，这是由于LiMn2O4薄层的厚度较小。其他的氧化物也具有相似的性能，如LiNiO2、LiCoO2和V2O5。
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2023-11-18
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2023-06-23
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