全固態(tài)薄膜鋰電池具有較高的能量密度、超長的循環(huán)壽命、全固態(tài)所固有的高安全性、較高的機械強度、方便做成所需的形狀和尺寸以及可以在苛刻的條件下工作(-40–150°C)。基于以上特性，全固態(tài)薄膜鋰電池被認為是微電子系統(tǒng)電源供應中唯一可用的能源器件，同時也在超級智能卡、有源RFID標簽、無線傳感器、國防軍工裝備等方面具有廣闊的應用前景。然而，當前全固態(tài)薄膜鋰電池的結(jié)構(gòu)主要采用二維平板式結(jié)構(gòu)，電極/電解質(zhì)接觸界面小，在有限的立足面積內(nèi)難以同時提高其能量密度和功率密度。三維薄膜鋰電池，通過獨特的構(gòu)架設計，在增大單位立足面積活性物質(zhì)負載量的同時，通過三維納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建縮短鋰離子擴散路徑，同時提高電池的容量和充放電速率，是解決未來微電子器件能量需求的一種有效方式。三維薄膜鋰電池的研究仍處于初期階段，大部分研究還處在概念設計、電極制備的狀態(tài)，完整的三維薄膜鋰電池報道極少。對于用金屬鋰做負極的全固態(tài)薄膜鋰電池而言，正極材料三維納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建尤為重要，其性能直接決定了全電池的性能。然而，三維正極材料構(gòu)建上的困難一直制約著三維固態(tài)薄膜電池的研究與發(fā)展。

　　對此，南京理工大學夏暉 教授課題組采用直流磁控濺射，在導電基底上直接沉積得到了三維LiMn2O4(LMO)納米墻陣列，并以此正極構(gòu)建得到了高性能的三維LMO/LiPON/Li全固態(tài)薄膜鋰電池(3D TFB)。與基于傳統(tǒng)的LMO平面膜構(gòu)建的二維全固態(tài)薄膜鋰電池(2D TFB)相比，該3D TFB電池結(jié)構(gòu)設計不僅可以顯著增加正極/電解質(zhì)的固-固接觸面積，為氧化還原反應和快速離子輸運提供了更多的位點和通道，而且可以提高正極體積變化的適應能力以增強機械穩(wěn)定性。更重要的是，與二維結(jié)構(gòu)相比，三維正極的垂直陣列結(jié)構(gòu)可以有效緩解LiPON沉積過程中沉積原子對LMO表面的轟擊作用，減少LMO/LiPON界面處的非晶LMO層的形成，從而有效地降低了界面阻抗，改善了固-固界面的離子傳輸動力學。最終，3D TFB與2D TFB 相比，展現(xiàn)出更高的比容量、明顯提高的倍率性能和循環(huán)性能。該工作為三維正極和三維固態(tài)薄膜鋰電池的制備、固態(tài)電池界面動力學的改善，實現(xiàn)高比能、大功率全固態(tài)鋰電池提供了新的思路和策略。