[发明专利]一种采用石墨烯薄膜作为负极的微型薄膜锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池，尤其是涉及一种采用石墨烯薄膜作为负极的微型薄膜锂电池。

背景技术

当今，随着微机电系统(MEMS)的迅速发展，外接电源已无法满足日益增长的微型化、集成化需求。微型薄膜电池由于其尺寸灵活、安全和高能量密度等优点，在微能源中脱颖而出。其中，目前锂电池的研究和应用最为广泛，因此微型薄膜锂电池成为实际微型器件供能的首选。另外，它所采用的固体电解质解决了普通锂电池的安全问题，在未来具有很大的发展前景。

微型薄膜锂电池，通常由集流体、负极薄膜、电解质薄膜和正极薄膜构成，而电池的几何结构也有多种形式，常见结构如美国专利US 5338625所述。而其制备主要通过各种薄膜沉积技术，包括射频磁控溅射法、脉冲激光沉积法、真空热蒸发、化学气相沉积法等，结合微加工工艺的光刻、剥离或掩模沉积等来实现。

然而现有的“石墨烯锂电池”，大部分只是将石墨烯作为正负极或电解质添加剂，或者作为集流体的一部分增强导电性和散热性，而不是采用且只采用石墨烯作为正极或负极的真正的“石墨烯电池”，以下均以此作为“石墨烯电池”的定义进行陈述。如中国专利CN104538582公开的石墨烯聚合物锂电池，采用石墨烯作为石墨电解质和铜箔集流体的导电层，提高了导电能力和能量密度，但是石墨烯本身并不是活性材料，也未给出包含正极和集流体的完整电池结构。即使是采用石墨烯作为活性材料的锂电池，也未采用完整的石墨烯薄膜作为电极，如中国专利CN105529469公开的石墨烯锂电池，以包括石墨烯、聚合物以及催化剂等作为阴极，以锂金属作为阳极，主要描述采用三维金属基底和聚合物催化的方法直接制备三维石墨烯凝胶作为阴极，并未使用单层或少层石墨烯薄膜和固体电解质，同时石墨烯作为阴极材料，相比中国专利的采用传统正极的锂电池来说，输出电压较小，空间利用率低，工艺复杂，成本较大，采用的化学方法引入了非活性聚合物杂质，并且难于与微系统集成。

至今还没有简易、完整的微加工方法来实现“石墨烯锂电池”的大规模制备。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种采用石墨烯薄膜作为负极的微型薄膜锂电池。

本发明从下至上依次设有铜箔基片、石墨烯负极膜、固体电解质膜、正极膜和正极集流体；所述石墨烯负极膜是采用化学气相沉积法直接生长在铜箔基片上的石墨烯薄膜；所述固体电解质膜、正极膜和正极集流体采用光刻、沉积和剥离，或者直接掩膜沉积实现图形化。

所述光刻、沉积和剥离采用双面胶将样品粘贴在硬质衬底上进行操作。

所述石墨烯负极膜为单层或少层石墨烯；所述固体电解质膜的厚度可为0.1～1μm；所述正极膜的厚度可为0.1～1μm。

所述硬质衬底可采用硅片、玻璃或不锈钢衬底等

本发明利用化学气相沉积法制备的单层或少层石墨烯二维薄膜直接作为锂电池的负极材料，提高了负极材料的电导率、比表面积和材料利用率。本发明仅用一块掩模版或一次掩模沉积，利用双面胶进行固定操作，在剥离时与多余的光刻胶一起去除，过程简便高效，能制备出全固态和薄膜型的真正“石墨烯锂电池”。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用且只采用单层或少层石墨烯薄膜作为负极材料。

2、单层或少层石墨烯的高电导率和比表面积提高微型薄膜锂电池的能量密度和倍率性能。

3、工艺制备和电池结构简单，只需一块掩膜版，易于实现大规模生产。

4、工艺制备和电池结构与微电子工艺兼容，容易实现与微型器件的集成。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示。首先在铜箔基片1上采用化学气相淀积(CVD)方法生长石墨烯负极膜2，并采用双面胶将其粘贴在硬质衬底(如硅片、玻璃或不锈钢衬底)上，旋涂光刻胶。接着进行掩模曝光，图形化所需的电池有效面积。然后采用射频磁控溅射技术分别沉积固体电解质膜3LiPON(可以是其他类型固体电解质)，正极膜4LiCoO₂和正极集流体5Al(可以是其他类型正极材料和金属集流体)，而负极材料和集流体则直接采用石墨烯和铜箔。最后将整个样品浸泡在丙酮中进行剥离工艺去除多余的材料和双面胶，形成微电池。后期通过切割、引线和封装形成微型石墨烯锂电池产品。

实施例2