微电池：颠覆电池市场的全固态技术

微电池与上面讲的正好相反，可用于比邮票还小的区域中，它们可以为低占空比的微型控制器、收音机和传感器提供动力。包装好的电池，尤其是那些电解质是液体的电池，很难成为微电池，但其应用逐渐超过燃料电池和内燃机。这是因为：

（1）它们不需要管子；

（2）它们没有可移动的部分（除了离子）；

（3）它们是封闭式系统，电源与传感器距离非常近，这样就能避免测量流出物造成的影响；

（4）它们可以通过能量捕获技术（光电，热电，压电）来充电。

由ORNL[25]研发的首例微电池向人们展示了广阔的发展前景：普通的精密加工技术，全固体形态。(www.xing528.com)

这些电池已经开始商业化，通过微型制造兼容技术来生产。溅射和化学气相淀积工艺可以生产出良好的薄膜微型结构，对于锂电池，材料的性能可以接近理论上的能量密度。不幸的是，在厚度大于15μm时这些电池很难制造。当电池总面积限制在1cm²时，即使充一整晚的电，单个15μm的电极也是不能为长期应用形成有效电池。第二个问题主要是工作温度。存储大部分电池材料膜的过程需要高于300℃的温度，该温度高于大部分CMOS（互补金属氧化物半导体）装置所能承受的温度。而电气工程师们则采用给电池使用独立芯片；或者把电池当做基底来制造装置的方法来克服上述困难，并且这两种情况都要求有良好的封装。这在一定程度上，用微电池是无法实现的。最近一种薄膜型微电池包含了使用传统的PVDF泥浆，活性电极材料如MCMB（中间相炭微球），用直接写技术改进的LiCoO₂以及固体聚合物电解质。这些电池的电极与标准锂电池的几乎相同，所以它们的性能也几乎相同。最令人感到新奇的是它们的固态聚合物电解质。上一代固体聚合物电解质是基于PEO结构，通过黏性阻力和联锁运动，键跳跃的补充机制使锂离子移动。由于键运动基本上可以忽略，从而黏性阻力成为主要因素，所以在PEO的玻璃化转变温度以下会引起问题^[25]。对于PEO，这全面反映了在温度对电导率的影响，25℃时电导率是10^-7S/cm，但是当T_g高于70℃时电导率将达到10^-4 S/cm（电导率提高了1000倍）。

在过去的5年里，离子液体聚合物电解质正在慢慢取代PEO。离子液体是指那些在室温下就能溶化的盐类，它们具有良好的发展潜力和热稳定性，并且在室温-300℃之间不会汽化^[26]。不同的盐类混合物有不同的黏度、电导率和熔点。丁基甲基咪唑（[BMIM]+）和丁基甲基吡咯烷（[BMPyrro]+）类离子液体可以由各种聚合物混合而成。这些离子液体在PVDF中构成固体薄膜或者自立凝胶，可以依旧维持良好的绝缘性和电导率^[27]。图15.9所示为铜板上的三层聚合液体微电池^[28]。

尽管这些电解质的发展潜力非常好，但是一旦超过其工作温度范围，就很难显示出其相特性。而用在薄膜电池中的LIPON（锂磷氧氮）固体电解质相对来说就有很好的性能并能够以薄层（增加了电导率）的形式被储存，但是，商业化的无针孔离子液体聚合物电解质到目前还没有能力生产。

图15.9 铜板上的积层