可规模化制备的单片集成微型电池：超高电压输出与卓越定制性的突破

为解决物联网(IoT)微型电子器件(MEDs)的能源供给难题，研究人员开发了一种基于光刻技术的非破坏性剥离策略，实现了单片集成微型电池(MBs)的大规模制备。该研究采用Li3V2(PO4)3(LVP)作为对称电极材料，制备出面积仅2.2275 mm2的MBs，其面积容量达96.4 μAh cm-2，循环10000次后容量保持率达88.3%。通过串联63个MBs单元，实现了182.7 V的创纪录输出电压，为微型电子器件提供了高能量密度、长寿命的可定制化电源解决方案。

　　

随着物联网(IoT)技术的迅猛发展，微型电子器件(MEDs)如微机电系统、微型传感器、植入式医疗设备等正经历爆发式增长。这些毫米甚至微米尺度的设备亟需与之匹配的微型储能装置(MESDs)，但传统微型电池(MBs)的制造面临材料选择、结构设计和制备技术等多重挑战。特别是如何在有限空间内实现高电压输出和模块化定制，成为制约微型电子器件发展的关键瓶颈。

中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室的研究团队在《National Science Review》发表了一项突破性研究，开发出基于光刻技术的非破坏性剥离策略，实现了单片集成MBs的大规模制备。该研究创新性地采用Li₃V₂(PO₄)₃(LVP)作为对称电极材料，通过精确控制的光刻工艺和热机械剥离技术，成功制备出面积仅2.2275 mm²的高性能MBs，并实现了63个MBs单元的串联集成，创造了182.7 V的微型电池输出电压记录。

研究团队采用了三项关键技术：1)利用光刻技术制备SU-8光刻胶沟槽作为微图案模板；2)开发基于热膨胀系数差异的非破坏性机械剥离工艺；3)采用激光切割PDMS栅栏实现电解质的空间隔离。这些技术的协同应用确保了微电极图案的高精度和完整性。

研究结果部分显示：

1. 材料设计与表征：选择单斜晶系LVP作为电极材料，其具有V³⁺/V⁴⁺(3.8 V vs. Li/Li⁺)和V³⁺/V²⁺(1.7 V vs. Li/Li⁺)两对氧化还原电对，可实现对称电池设计。通过溶胶-凝胶法合成的碳包覆LVP材料表现出优异的电化学性能。

1. 微加工工艺优化：利用SU-8光刻胶与玻璃基底之间显著的热膨胀系数差异(SU-8:-1.057×10^-3 °C^-1；玻璃:5.073×10^-6 °C^-1)，通过加热和机械剥离实现光刻胶的完整去除，获得高精度微电极图案。该方法可制备宽度低至100 μm的精细电极。

2. 电化学性能：制备的2F-MB(双侧双指结构)表现出96.4 μAh cm^-2的面积容量和195.5 μWh cm^-2的能量密度，在1000 μA cm^-2高电流密度下循环10000次后容量保持率达88.3%，创下了微型电池循环稳定性的新纪录。

1. 机理研究：通过原位XRD分析揭示了LVP在充放电过程中高度可逆的结构演变，这是MBs超长循环寿命的结构基础。动力学分析表明电化学反应主要由扩散过程控制。

2. 集成模块展示：研究成功实现了2、3、9直至63个MBs单元的串联集成，在5.365×4.035 cm²面积内获得182.7 V的超高输出电压，为微型电子器件的高压应用提供了解决方案。

该研究的创新价值在于：1)开发了可规模化制备的高精度MBs制造技术；2)实现了微型电池超高电压输出的突破；3)为物联网微型设备提供了能量密度高、寿命长的定制化电源解决方案。这种基于光刻技术的非破坏性剥离策略不仅适用于LVP材料体系，还可推广至其他电极材料，为微型储能器件的设计和制造提供了新思路。研究成果将有力推动微型电子器件在医疗植入、环境监测、微型机器人等领域的应用发展。