三维电极微电池简介

美国科学家制造出一种拥有三维电极的新式“微电池”模型，与目前的商用电池相比，同样功能的新电池仅为其十分之一，而再充电速度则为其1000倍。

电池内有三个元件：分别位于电池两端的阴极和阳极以及作为“桥梁”的电解液。最新研究的突破主要在于，科学家们在微尺度上将阳极和阴极整合在了一起。

他们首先制造出一个由细小的聚苯乙烯球组成的网格；接着用金属填满球内外；再将球溶解，留下一个三维的金属支架，并在该金属支架上添加了一个镍—锡合金阳极和氢氧化锰矿物质阴极；最后，将该装置依附到一块玻璃的表面，并将玻璃表面没入300摄氏度的液体（作为电解质）中。

研究负责人、伊利诺伊大学的威廉姆·金教授表示：“阴极和阳极距离非常近，使得位于电池两极用来发生反应的离子和电子不需要行进很远，因此能更快产生能量。而且，最新技术可以扩展，可以将电池做得比较大。”

金指出，尽管智能手机和其他电子设备已从微电子学受益良多，但电池领域的进展却伐善可陈，最新研究改变了这一现状。同样功能的新电池的“个头”仅为原电池的十分之一，新电池可用在汽车内。

英国剑桥大学化学系的克莱尔·格雷教授表示：“挑战在于制造出一个足够稳固的微电池阵列，通过一个成本低廉且可不断扩大的过程，使整个电池阵列不出现一次短路。”牛津大学无机化学和能源领域的专家皮特·爱德华兹也指出：“最新研究证明了我们可以获得很高的能量密度，但问题在于如何扩大规模以便进行工业化生产，同时找到更简单的制造方法并解决安全问题。我并不知道这种微电池是否容易自燃，钴酸锂电池就存在这一问题。”

金承认，因为目前使用的液体容易自燃，安全问题确实存在。他表示，测试设备使用的液体很少，这就使发生爆炸的危险微乎其微，但如果电池被做得很大，危险可能会随之增加。但他计划改用更安全的聚合物电解液来解决这个问题，希望今年年底前，该技术能够实现为电子设备和汽车供电。

利用 ICP 技术刻蚀硅形成深槽制作三维结构，则其表面积相对于二维平面结构将会有较大的增加。B 表示同底面积上三维立体结构所增大表面积的倍数，S2D、S3D 分别代表二维(平面)结构和三维结构表面积，L 为梳齿总长度，W为总宽度，H 为梳齿高度，W1 为单个梳齿宽度，W2为两个梳齿之间的距离，则单个梳齿长度为 W－2W1–W₂.

功能薄膜是指微型电化学储能器件阴、阳两电极上具备储能特性的化学活性物质，它是决定微电极储能性质的关键因素，因而要获得性能指标好的微型超级电容器，首先必须制备容量大、内阻低、性能稳定、结构强度高的电极功能薄膜材料. 功能薄膜材料的制备方法很多， 其中电化学沉积工艺具有工艺简单. 过程易控、兼容性好等优点，易于制备三维微电极. 氧化钌材料相对于其他超电容材料，具有内阻小、容量大等特点.采用电化学阴极恒流电沉积方法在三维微柱阵列的金属集流体上沉积氧化钌功能薄膜，具体制备工艺如下：①清洗三维微柱，烘干待用；②配制电沉积溶液， 用去离子水配制RuCl3 ·3H2O和NaNO3的混合溶液， 浓度分别为5×10-3 mol/L和200×10-3 mol/L；③调节pH值至2.0；④电沉积功能薄膜，采用CHI660B电化学工作站（上海辰华仪器公司），以三维微柱为工作电极（阴极），Pt电极（铂片4 mm×4 mm）为对电极（阳极），取适量电沉积溶液，选择合适的电流和时间进行恒流电沉积；⑤清洗和干燥，使用SEM观察微电极的表面形貌 。

微电极结构采用 ICP 技术制备。将硅片清洗干净并放入烘箱烘 10 min，溅射 200 nm，铝膜作为刻蚀的掩膜，用 AZ1500 光刻胶转印图案，曝光、显影，腐蚀铝膜，露出刻蚀窗口进行 ICP 刻蚀。 刻蚀工艺参数如下： 腔室温度 40 ℃，硅片温度 25 ℃，射频功率 600 W，电压 300 V，总刻蚀时间 80 min。刻蚀过程中 SF6流量为 150 mL/min，O2流量为 12 mL/min，直流偏置电压为 120 V，功率为20 W，腔内气压 2.67 Pa。淀积过程中的 C4F8 流量为85 mL/min，腔内气压 5.33 Pa 。