微电子器件的发展趋势是集成电路（Integrated Circuits IC）芯片小型化，因而迫切要求开发相应尺寸的微型电源—微电池来与之相匹配。近年来，随着微电子器件的快速发展，迫切要求其动力系统能量更高、体积更小、更集成、更安全。传统的电池系统已经不能满足微电子系统对小型化、集成化日益增长的要求。而全固态薄膜锂电池就是适应这一要求而产生的一种新型的电池技术。薄膜锂电池的概念简单，即在导电衬底上将电池的各个元素按照正极、电解质、负极的顺序依次制备成薄膜，最后封装就构成一个整电池（图1）。使用固体电解质的薄膜锂电池具有许多优点，如较高的能量密度（几百Wh/kg）、极长的循环寿命（可长达几万次）、全固态所固有的高安全性、较高的机械强度、方便做成所需的形状和尺寸以及可以在苛刻的条件下工作（-40 – 160°C）。这些特性使得薄膜锂电池在超级智能卡、有源RFID标签、无线传感器、国防装备及微电子器件等方面具有广阔的应用前景（图1）。

图1，薄膜锂电池的组成结构及应用领域。

然而，现代微电子器件的快速发展，对微型电源的能量密度和功率密度提出更高的要求，而二维结构的平板式薄膜锂电池由于受其几何结构的限制（图2），在有限的立足面积内难以继续提高其能量密度和功率密度。增加薄膜电极的厚度虽然可以在一定程度上增加电池单位面积的比容量，但同时增加了锂离子的扩散路径，降低了电池的倍率性能及功率密度。三维薄膜锂电池，通过独特的构架设计，在增大单位立足面积活性物质负载量的同时，通过纳米结构缩短锂离子扩散路径，同时提高电池的容量和充放电速率，是解决未来微电子器件能量需求的一种有效方式。以同轴结构的三维电池为例（图2），首先在导电衬底上制备正极纳米线阵列，然后在正极阵列上沉积电解质层，最后在空隙处填充负极材料（如金属锂），则构建成三维薄膜锂电池。以三维纳米线阵列构建的正极可以有效的缩短锂离子扩散路径，通过增大电极/电解质膜的接触面积而有效提高正极材料的利用率，可以在提高单位面积比容量的同时，有效提高电池的充放电速率，从而同时获得高能量密度和高功率密度。根据Golodnitsky等人的报道，三维结构的薄膜电池同具有相同厚度正极的二维薄膜电池相比，其单位面积比容量可提高20~30倍。在此三维结构的基础上，可以通过利用第三维度-高度的增加，在不影响功率密度的前提下，来有效提高薄膜电池的能量密度。因此，平板式薄膜锂电池因其结构制约已经逐渐成为高能量需求的新型微电子器件发展的瓶颈，而三维薄膜锂电池因其独特的构架设计和优越的性能，已成为微电子器件新一代微能源电池的发展方向。相信在产业需求和技术进步的推动以及科研工作者的努力下，全固态微型锂电池将在日常生活、医疗卫生、军事国防等领域发挥重要作用。

图2，二维平板薄膜微电池和三维微电池结构示意图。

   目前,对于三维薄膜锂电池的研究仍处于初期阶段，大部分研究还处在概念设计、电极制备或半三维电池制备状态，完整地全固态三维薄膜锂电池的报道极少。三维电极结构的制备及三维纳米结构上电解质的沉积仍是三维薄膜锂电池发展的难点。然而，目前大部分关于三维纳米结构电极的报道是负极材料，对于正极材料自支撑三维纳米结构的研究只有零星的报道。对于用金属锂做负极的全固态薄膜锂电池而言，正极材料三维纳米结构的构建更为重要，其性能直接决定了全电池的性能。但正极材料的制备过程往往需要高温处理以得到理想的晶体结构和结晶度，而纳米结构在高温条件下难以保持，且金属衬底与正极材料之间可能发生反应而在正极材料中引入杂质。因此正极材料自支撑三维纳米结构的制备仍是目前急需解决的难题。

最近，本课题组在构建LiCoO₂自支撑三维纳米结构正极材料的研究上取得重要进展。在本工作中，本课题组设计了一种水热嵌锂制备法，在金属衬底上成功制备出自支撑LiCoO₂纳米线阵列。该纳米线阵列由具有纳米尺寸的LiCoO₂晶粒首尾相连组成，呈现出独特的“链条”结构 （图3）。这种三维LiCoO₂纳米线阵列，具有大的表面积和快速离子传输的性能，在单电极电化学性能的测试中，表现出优越的电化学性能，其单位面积的比容量可达到0.27 mAh/cm²，远远高于二维LiCoO₂薄膜电极的报道值。该研究成果为三维微电池的构建提供了新思路和新方法，而自支撑LiCoO₂纳米线阵列在三维微电池中具有潜在的应用前景。具体内容请参考：NPG Asia Materials (2014) 6, e126；相关链接：http://www.nature.com/am/journal/v6/n9/full/am201472a.html

图3，水热嵌锂法制备的低温LiCoO₂纳米线阵列和高温处理后得到高温LiCoO₂“链条”结构纳米线阵列以及各自的充放电曲线。