CRPS：“管中管”式微型锂离子电池

随着物联网、可植入医疗器械、微型机器人、可穿戴电子产品的迅速发展，急需发展高性能、低成本和可集成的微型电池为分散化、小型化的电子设备提供供能解决方案。“麻雀虽小、五脏俱全”，微型电池需要在完整的电池结构基础上，至少在一个维度上将尺寸降低到亚毫米的范围，这在设计和制造上很具挑战性。

德国莱布尼茨固态与材料研究所翁群红（目前单位：湖南大学）等针对微型电池占地面积大、能量密度低、缺乏有效的封装手段等问题，提出了一种“管中管”式的电池构型设计，同时实现了整个器件较低的占地面积和较高的面积能量密度。封装后整体实现了605 μAh cm^-2或313 μWh cm^-2的能量密度；封装后的微型电池作为微电子元件占地面积可低至0.39-0.79 mm²。工作发表于Cell Reports Physical Science。

图1. “管中管”构型的微型锂离子电池设计示意图。 

要点1：薄膜卷管制备微管电极

作者首先通过光刻和电子束沉积制备了图案化的多层薄膜，之后经薄膜应力卷曲技术制备了多种微管，包括SnO_x/Ni (厚度：50 nm/25 nm)、SnO_x/Au (50 nm/10 nm)、SnS₂/Ti (50 nm/50 nm)、SnS₂/Au (50 nm/10 nm)和Ge/Si/Au (20 nm/40 nm/20 nm)。为了比较薄膜不同的绕卷圈数对微型电池面积能量密度的影响，分别设计了方形和条形的薄膜图案。其中条形图案卷曲而成的SnO_x/Au微管的绕卷圈数可达70，远高于方形图案薄膜所制备的SnO_x/Au微管圈数（5-10）。

图2. 多层薄膜卷管技术制备多种微管电极。

视频1. 多层薄膜卷管制备微管电极。

要点2：“管中管”式微型锂离子电池的组装与性能

作者在手套箱内光学显微镜引导下将微管电极、PVDF-HFP保护的镀锂钛丝电极在直径为0.7-1.0 mm的毛细管内组装成“管中管”式微型锂离子电池，注入电解液并将毛细管两端用紫外固化树脂密封好。封装后的SnO_x微电池作为电子元件的占地面积低至0.39 mm²，并展现了3.2 V的稳定开路电压。器件的倍率性能和循环稳定性较好，可与同类型常规锂离子电池性能相媲美，其单位面积可逆放电容量达605 mAh cm^-2，能量密度为313 μWh cm^-2。此外，通过比较方形和条形图案卷成的微管，后者负载的活性材料增加了10倍以上，可逆放电容量提高了4.1倍，可逆充电容量提高了10.4倍，表明微电池面积的能量密度可通过卷管技术大幅提升。

图3. SnO_x微型锂离子电池电化学性能。

小结

这项工作为低占地面积微型锂离子电池提供了一种有价值的构型设计，可在较大程度上同时解决电池的封装问题和单位面积能量密度问题。

展望

目前通过薄膜卷管技术来制备微管电极的方法有限，主要为电子束沉积等物理方法，导致可选的电池活性材料受限，特别是高电势的正极材料；另外，活性材料除了制备问题，其内部应力也是决定能否卷曲成管的关键问题。理想的“管中管”式微型电池需要将正负极、隔膜层、集流层等沉积于同一多层薄膜中，并卷曲成致密的微管。这些问题的解决将会极大地提升此类构架微型电池的实用性。

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A compact tube-in-tube microsized lithium-ion battery as an independent microelectric power supply unit

Qunhong Weng, Sitao Wang, Lixiang Liu, Xueyi Lu, Minshen Zhu, Yang Li, Felix Gabler, Oliver G. Schmidt

Cell Rep. Phys. Sci., 2021, DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100429

（本稿件来自Cell Press）