◎ 程 岩 李文荣 徐 帆

　
一、项目背景
    超薄电池是当代高科技发展的必然产物，并对解决微型化、芯片化设备和器件的能源问题有重要的探索意义。
    众所周知，能源，是现代工业的支柱。现代物质文明所涉及的各种设备大多需要能源，它可分成两大类：一类可直接由中央发电站或中央供热系统供应能源，因此本身不需要包括能源发生设备。大部分固定设备均属此类，电气机车、城市电车等移动设备亦属此类；另一类如大多数移动设备则需要自备能源。小至电子手表、助听器，大至飞机、舰艇，均需要自己产生电能或机械能。
    电池，是为适应工业化需求而兴起的一种主要的能源形式。电池自诞生之日起，历经伏打电池、锌锰电池、铅蓄电池、银锌电池、镍氢电池等等，直至发展到今天盛行的锂离子电池，新的化学电源层出不穷，以满足现代工业的需要。但是，近几年来，由于微电子技术的迅猛发展，移动型设备的功能愈来愈复杂而体积、重量愈来愈小。例如，个人电脑用芯片的功能平均每一年多增长一倍(即所谓"穆尔定律")。因此，对化学电池的体积和比能量的要求也愈来愈高。不能不承认：目前化学电池比能量的增长无法赶上微电子芯片功能的增长速度，而化学电池在薄型化、微型化方向的发展速度也无法满足微电子工业、航空航天等领域的需要。这一情况迫使外观超薄同时具有高比能量的电池的研究开发受到了极大的重视，成为当今高科技发展的热点之一。
二、项目创新点
    我们首次提出超薄打印电池的高技术概念并实现了将现代喷墨打印技术应用于化学电源的制备，研制出了一种制备具有高比能量的超薄电极和超薄电池的新方法。
    目前制备超薄电池的主要方法是化学沉积和物理溅射，但其工艺繁琐，实验条件要求高，生产成本昂贵，难以精确控制所需制备的电池大小、形状和厚度，因而大大限制其作为大规模集成电路电源对集成化、高精密化的要求。
    我们已经成功制备出的超薄打印电池工作电压与传统工艺生产电池相当，但是比能量大大优于传统工艺制备出的产品（例如：超薄打印锌锰干电池的工作电压为1.5伏，正极比能量为270mAh/g；而传统工艺生产出的1.5伏锌锰电池，文献报道正极最高比能量为200mAh/g）。更为重要的是，利用我们的打印方法可以将电极和电池打印到各种基底上，大大简化了电池生产工艺，降低了生产成本，同时结合计算机技术可精确控制打印电极和电池的位置、形状、大小的特点，满足了现代工业对于微型电源形状多样化以及高精密化的要求。可以广泛适用于大规模集成电路、微电机、微机械以及各种智能卡等各种电子产品。
三、项目可行性论述
    1、纳米材料在化学电源中的应用
    纳米科学技术是一门在0.1～100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性的学科。它包括纳米物理学、纳米电子学、纳米材料科学、纳米机械学、纳米显微学、纳米计量学、纳米制造技术等等,它是一门基础研究与应用探索紧密结合的新型科学技术。　　
    进入90年代,纳米科学技术已经扩展到化学电源领域。由于纳米材料具有量子尺寸引起的特殊的量子限域效应和界面效应,因此纳米材料具有与其它非纳米材料所不同的许多独特的物理和化学性质。纳米材料、纳米复合材料作为嵌锂材料,由于其特殊的纳米微观结构及形貌,可望更加有效地提高材料的可逆嵌锂容量和循环寿命。纳米活性材料所具有的比表面大、锂离子嵌入脱出深度小、行程短的特性,使电极在大电流下充放电极化程度小,可逆容量高,循环寿命长;纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间,和有机溶剂具有良好的相容性,同时也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间,进一步提高嵌锂容量及能量密度。
    在化学电源领域里,目前已经研究开发出多种纳米新材料。例如,用于镉-镍、金属氢化物-镍、锌-镍电池的纳米相Ni(OH)2,AB5型贮氢合金LaNi3.5Co0.8Mn0.4Al0.3。用于锂离子电池阴极材料的锰钡矿型MnO2纳米纤维,聚吡咯(PPY)包覆尖晶石型LiMn2O4纳米管,TiS2微管,纳米晶态VO2(B)、TiO2,热解聚硅烷、聚硅氧烷、聚沥青硅烷,以及多种纳米复合材料。纳米碳材料和纳米二氧化锡材料则主要用作锂离子电池的阳极材料。另外,锰钡矿型MnO2纳米纤维还可以用作燃料电池的催化组分,纳米晶态VO2(B)既可用作4V锂离子电池的阴极材料,又可作为阳极与LiMn2O4配对组成1.5V水溶液锂离子电池。
    纳米科学技术已经在材料科学、微电子技术、信息产业、生物学等领域不断创造出奇迹和新进展。从纳米尺度上重新认识和开发新型电池材料并制备出新型电池,一定也会成为下个世纪化学电源领域里最激动人心和前景灿烂的高新技术。
    2、现代喷墨打印技术
    喷墨打印是一种非撞击、点阵式打印技术,墨滴由小孔直接喷射到介质表面的特定位置以形成图像。目前，喷墨打印机在打印机市场中占据着主流地位，造成这种市场发展潮流的原因是社会发展大环境和喷墨打印机本身技术的成熟两方面因素形成的。PC、Internet的日益普及深刻地影响着打印机这一计算机外设市场各个层次的发展,为喷墨打印机市场提供了发展的舞台。另一方面,喷墨技术的日趋完善,技术成本不断降低,使打印机价格直线下降。内、外两方面的因素为喷墨打印机的市场发展创造了条件。
    社会生活水平的提高,人们对信息产品的接受,为喷墨打印机走向大众铺平了道路,喷墨技术本身的发展,使其在打印精度及色彩表现上实现了可比拟照片的效果,人们对彩色喷墨打印机的印象也大为改观。
    目前市场上流行的喷墨打印机的分辨率都在720dpi以上，有的甚至达到了2800dpi，因此完全可以满足我们用以制备超薄化学电源的需要。
    综上，纳米科技的飞速发展和现代喷墨打印技术的日趋成熟，为我们运用喷墨打印技术制备超薄打印电池的设想的可行性提供了理论和实践的依据。

　　作者简介：程 岩，女，复旦大学化学系2003级博士研究生，研究方向为电化学；
李文荣，男，复旦大学化学系2002级硕士研究生，研究方向为电化学；
徐 帆，女，复旦大学化学系2000级硕士研究生，研究方向为电化学。

（责任编辑：徐春夏）