【摘要】：自供电微型电子设备的快速发展使得人们对高性能微型电池的需求日益增加。然而，在微型电池中同时获得高能量密度和高功率密度是一个重大的挑战。使用超薄微电极可以使微型电池获得较高的功率密度，但与此同时其较低的单位面积活性材料负载量会导致微型电池的能量密度无法满足微型电子设备的需求。增加微电极的厚度可以提高单位面积活性材料的负载量，从而使微型电池获得更高的能量密度，但由于电子传输和离子扩散距离的增长，往往会导致微型电池功率密度的降低。


研究表明，基于三维介孔微电极的微型电池有望同时实现高能量密度和高功率密度，然而大多数构筑三维介孔材料的方法难以与微型电池的微加工工艺兼容，基于三维介孔微电极的微型电池的开发仍处于起步阶段。因此，开发基于三维介孔微电极的微型电池是一项亟待解决的问题。本文通过一系列微加工工艺成功制作了基于分级有序孔微电极的微型镍锌电池，并采用多种表征手段和测试方法，对其物相和结构进行了全面的表征，对其电化学性能进行了系统的研究。


主要研究内容及结果如下:


(1)通过模板法结合阳极氧化等微加工工艺成功制作了分级有序孔镍/氢氧化镍微电极，其孔结构由相互连接的有序大孔和介孔组成。


(2)对不同厚度的分级有序孔镍/氢氧化镍微电极进行了电化学测试，随着微电极厚度的增加，微电极的能量密度也相应提高，而功率密度仅有微小的损失，有效的减少了微电极厚度的增加对电化学性能的负面影响。微电极性能提升的主要原因在于分级有序孔结构具有较大比表面积，从而可以获得更高的活性材料负载量，并可以同时优化离子的扩散和电子的传输。


(3)以分级有序孔镍/氢氧化镍微电极为正极，锌微电极为负极，组装了准固态微型镍锌电池，在1 mA cm~(-2)的电流密度下具有超高的容量(150.19μAh cm~(-2))，在20 mA cm~(-2)的电流密度下，容量保持率高达59.2%，显示出了优异的倍率性能。与此同时该微型电池还具有超高的能量/功率密度(0.26 mWh cm~(-2)，33.8 mW cm~(-2))，远超大多数报道过的微型储能器件。