由于智能卡、微机电系统、微型医疗器械等微电子器件广泛应用于日常生活中，微器件技术的发展越来越受重视。然而，微电源的研究无法跟上微电子器件的发展，微电池技术亟待突破。为了缩小锂离子电池的尺寸，我们需要革新建立电极的传统制造方法，同时利用固态电解质替代传统液态电解质，从而避免壳体泄露和其他安全问题[3]。因而，全固态薄膜微电池成为解决微电子器件能量要求的有效方式，引起了人们的广泛关注。

二维电极设计的薄膜微电池受限于几何结构，使得能量密度和功率密度难以满足日益发展的微机电系统（MEMS）等微电子器件的要求[4,5]。二维电极设计的不足促进了三维电极设计的发展[6]。三维微电池通过独特的结构设计，满足了短锂离子扩散距离、高比表面积的要求[5,7]，在提高容量和功率密度的同时，避免了充放电过程中结构破坏致使的电化学性能的衰减。

目前，三维微电池方面的研究还比较少，而且其中大部分还是集中于三维负极电极的研究[8,9]。三维负极纳米线阵列和纳米管阵列已经成功合成出来了，与二维电池相比，也展示了优异的比容量和倍率性能[10,11]。但是，由于三维正极阵列的合成存在种种困难，对于它的制备研究十分有限[12,13]。

自锂电池技术发展以来，电极材料是决定电池性能好坏的关键因素。LiCoO2材料具有电压高、可逆容量高、循环寿命长、安全稳定、合成简单等优点，是目前应用最广泛、工艺最成熟的正极材料之一[14]。大本文通过对层状Co(OH)2进行锂化得到三维LiCoO2纳米阵列从而提高材料的导电性和比表面积，获得高能量密度和功率密度的三维正极材料，应用于锂离子电池中。

1.2 锂离子电池的基本简介

1.2.1 锂离子电池的工作原理

在锂离子电池中，电能和化学能的转化通过正负极间可逆的充放电过程来实现，同时，电子通过外电路传输。以钴酸锂/石墨电池为例，解释锂离子电池工作过程中的电化学反应机理。充放电过程中，正极反应如下：

在充电过程中，LiCoO2发生氧化反应，一个Co3+被氧化成Co4+，产生的一个电子通过外电路到达石墨负极，与此同时，Li+从LiCoO2晶格中脱出通过电解质迁移到石墨负极，Li+与一个电子复合形成金属锂沉积在石墨负极表面[15]，此时，电能转化为化学能储存在电池中。放电过程则与之相反，使得储存的化学能重新转化为电能。锂离子电池充放电工作原理如图1.1所示。在整个充放电过程中，电荷守恒，锂离子在正负极间往返脱出嵌入，因此，锂离子电池被形象地成为“摇椅电池”[16]。

图1.1 锂离子电池工作原理图

1.2.2 锂离子电池材料的发展历程

通常，锂离子电池由两个嵌锂电极、微孔隔膜和电解液组成。电解液应遵循离子导电和电子绝缘的原则，然而，实际工作过程中电解液的反应很复杂。循环第一圈时，有机电解液会在极端电压（<1.2V或>4.6V）下分解，在正负极表面形成固体电解质中间相（即SEI膜）。

目前，正极材料是锂离子电池性能的主要决定因素。传统的正极材料根据结构可以分为以下几类：层状化合物LiMO2（M=Co，Ni等）[17]、尖晶石结构化合物LiM2O4（M=Mn等）[18]、橄榄石结构化合物LiMPO4（M=Fe等）[19]。大多数对于正极材料的研究都是对这些材料及其衍生物进行的。典型正极材料的电化学性能见图1.2。自1980年LiCoO2首次被证实能用于可充放锂离子电池的正极材料以来，人们对过渡金属插层氧化物产生了极大的研究兴趣[17]。LiCoO2材料具有电压高、可逆容量高、循环寿命长、安全稳定、合成简单等优点，是目前应用最广泛、工艺最成熟的正极材料之一[14]。LiNiO2理论容量也高于LiCoO2，且镍离子比钴离子便宜，但是LiNiO2合成条件苛刻、热稳定性差，易形成缺锂的化合物，层状结构难以保持[20]。尖晶石型LiMn2O4由于合成工艺简单、导电导锂性能优良、价格低廉、污染较小而成为研究的热点，但在充放电过程中结构不稳定，容量衰减较严重[21]。此外，橄榄石型LiFePO4由于其毒性低、成本低、结构稳定、安全性高被认为是下一代锂离子电池最有前途的正极材料之一，但是受限于锂离子传输缓慢和电导率较低的缺陷[22]。