超微型电子器件的快速发展要求能量存储解决方案具备与表面贴装技术（SMT）兼容的紧凑特性。然而，传统元件（如多层陶瓷电容器MLCCs）在能量密度和长期功率输出方面存在不足。本文提出基于固态技术的多层复合电池（MLCBs），该设计同时实现了高能量/功率密度和完整的SMT集成。为突破现有储能系统的局限，研究团队将关键材料与结构创新集成至MLCB所有组件中。具体而言，我们在NCM和LTO活性材料表面施加了基于聚合物的混合离子-电子导电（MIEC）涂层，从而制备出具有更高界面稳定性的高载量电极。同步开发了以PVDF-HFP为基础的混合聚合物电解质，并通过陶瓷填料与LiOH·H进行增强。2O添加剂。这种组合通过控制锂的配位环境促进了稳定预固态电解质界面膜的形成。%% 基于这些设计策略，所制备的10单元微型层状复合电池原型展现出34.6 mWh cm-2的面能量密度%% 和89.3 mW cm-2的功率密度%%，并具有优异的循环保持率（0.2C倍率下200次循环后容量保持率达89.5%）。本研究共同展示了一种全新的表面微加工技术兼容型能源器件，证实了微型层状复合电池在下一代电子器件中的实际应用价值与巨大潜力。+ coordination environment. Based on these design strategies, the resulting prototype MLCB with 10-unit cells demonstrates an areal energy density of 34.6 mWh cm−2 and a power density of 89.3 mW cm−2, with excellent cycling retention (89.5% over 200 cycles, at 0.2C-rate). Taken together, this work presents a brand-new SMT-compatible energy device, demonstrating the practical application and high potential of MLCBs for next-generation electronics.
我们正处在一个能源革命的新时代，对于紧凑型、高性能、高效储能解决方案的需求比以往任何时候都更加关键。微型电子器件和物联网（IoT）技术的持续进步，加速了对具有高能量密度、长循环寿命且能无缝集成到紧凑系统中的微型电池（MBs）的需求。[1], [2], [3], [4], [5] 这一需求在移动医疗、植入式生物医学系统、纳米机器人及可穿戴电子等应用领域尤为突出，这些领域必须依赖可靠的微型化电源。传统微型电池通常分为纽扣型微电池和全固态薄膜电池两类。纽扣型微电池因其生产成本低、技术成熟，在物联网应用中仍占主导地位，但存在液态电解质泄漏、热稳定性差以及尺寸进一步缩小受限等缺陷。相比之下，薄膜全固态电池采用固体电解质替代易燃有机液体，从而提升了安全性与可靠性。然而，薄膜电池受限于其固有低容量、高制造成本及有限柔韧性，阻碍了其更广泛的应用。 为克服这些局限性，我们受多层陶瓷电容器（MLCC）启发开发了多层复合电池（MLCB）。现代电子设备中，MLCC凭借其高可靠性和快速充放电能力被广泛用作储能元件[6][7][8]。然而其固有低存储容量对需要持续供电的应用场景造成了严重制约。随着高性能需求的持续提升，现有储能器件引入了显著的设计约束，特别是在印刷电路板（PCB）空间受限情况下平衡功能性方面[9]。为解决这一问题，我们提出了一种完全兼容表面贴装技术（SMT）的超紧凑多层电池[10]-[14]。与传统储能器件不同，所提出的MLCB在实现高效PCB级集成的同时，可提供显著更高的能量密度。通过将这种先进电源直接集成到PCB上，可减少对MLCC等被动元件的依赖，从而实现更精简的电路设计和更优化的空间利用率。因此，SMT兼容电池为设备形态设计提供了更大的灵活性。 液态电解质电池因存在泄漏风险、热稳定性不足及需采用刚性封装等缺陷，在实现SMT兼容性方面面临重大挑战[15]。这些局限性使得全固态电池（ASSLBs）成为印刷电路板可装配储能器件最具可行性的候选方案。在各类固态电解质中，硫化物、聚合物及氧化物基电解质已得到广泛研究，但均存在固有缺陷。硫化物基电解质（e.g., Li10GeP2, Li12与Li7聚苯乙烯3Cl)展现出高离子电导率（>1011S/cm），但其较差的空气稳定性和界面相容性问题严重限制了其在固态电池中的实际应用。[16], [17], [18] 聚合物基电解质（6e.g5如PEO、PVDF-HFP和PAN）具有柔韧性和易加工性，但其室温下较低的离子电导率和有限电化学稳定性制约了其在高性能领域的应用。[19], [20], [21] 氧化物基电解质-3e.g., Li镧锆(LLZO)、锂7铝3钛2(PO12(LATP)、Li1.3铝0.3Ge1.7(PO4)3(LAGP))具有优异的化学稳定性和热稳定性，同时具备较高的离子电导率(>101.5S/cm），但存在界面电阻高和机械脆性等问题[22-24]。0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP)) provide excellent chemical and thermal stability with relatively high ionic conductivity (>10-4 S/cm) but suffer from high interfacial resistance and mechanical brittleness.[22], [23], [24]. 为克服这些局限性，本研究开发了一种聚合物-氧化物混合电解质以提升离子电导率与机械稳定性。此外，我们提出了一种针对全固态锂电池（ASSLBs）正负极活性材料的表面修饰策略。传统固态电池需在电极内部掺入30%以上的固态电解质以增强离子传导性[25]，但该设计会降低活性物质占比，进而导致能量密度下降。本实验采用离子导电聚合物直接包覆活性物质表面[26]，无需在电极内部填充大量固态电解质即可实现稳定的电池性能。该聚合物涂层不仅提高了电极内部的离子传导能力，还能有效降低颗粒间电阻，抑制体积膨胀与收缩现象，从而全面提升结构稳定性。 为兼容表面贴装技术（SMT）工艺，储能器件需满足若干关键要求：（1）具备耐高温回流焊的热稳定性且性能不衰减；（2）采用防泄漏结构以确保安全可靠性；（3）轻薄紧凑的外形适配有限PCB空间的高密度集成；（4）电气与机械特性符合标准SMT焊盘配置以实现自动化组装。[27] 满足这些标准对储能器件在下一代电子平台中的无缝集成至关重要。在此背景下，经优化的电极设计与混合聚合物电解质相结合，可制备出兼具SMT兼容性和卓越电化学性能的多层陶瓷电池（MLCB）。
