全球最小的微型電池

電池可以小到什么程度，可以比一粒鹽還小嗎？科學(xué)家給出了肯定答案，在保持完整的電池功能以外，將微型電池的面積做到了0.1平方毫米。

近日，開(kāi)姆尼茨理工大學(xué)、德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)全球最小電池，預(yù)計(jì)可給微型計(jì)算機(jī)芯片10小時(shí)的供電支持，并展現(xiàn)出亞毫米級(jí)的電池的應(yīng)用價(jià)值。

2022年2月9日，相關(guān)論文以《用于粉塵大小計(jì)算機(jī)的片上電池》為題發(fā)表在Advanced Energy Materials。該論文第一作者是開(kāi)姆尼茨理工大學(xué)博士生李陽(yáng)、朱旻棽研究員，通訊作者為朱旻棽研究員、朱峰研究員、奧利弗·G·施密特院士。

該論文通訊作者兼第一作者朱旻棽（左）、通訊作者奧利弗·G·施密特

隨著計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、可穿戴傳感器等技術(shù)的發(fā)展，小型智能器件在人們的日常生活中越來(lái)越常見(jiàn)。然而，它們的微型化發(fā)展卻受阻于設(shè)備與電池的尺寸、性能“不搭”及持久供電問(wèn)題。

從尺寸來(lái)看，當(dāng)電子設(shè)備越來(lái)越小，片上電源（微型電池）的高能儲(chǔ)存與面積縮小的不協(xié)同的矛盾就越發(fā)明顯。從供電方式來(lái)看，太陽(yáng)能供電也許是一種解決方案，但是同時(shí)它也受到環(huán)境及收集方法的限制。

因此，如何更穩(wěn)定、持續(xù)地供電，并將微型電池的面積縮小到1平方毫米以下，成為科學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。

特斯拉汽車(chē)電池設(shè)計(jì)與微型電池工藝對(duì)比

在以往的研究中，片上電池的極限小型化程度大約占地1平方毫米左右，性能在1mAh/cm2左右。發(fā)表在Advanced Materials的相關(guān)論文顯示，研究人員用3D打印的方法，可實(shí)現(xiàn)厚度上的優(yōu)勢(shì)，從而帶來(lái)良好的儲(chǔ)能性能。但這種方法受限于工藝，難以實(shí)現(xiàn)1平方毫米以內(nèi)的發(fā)展。

而該團(tuán)隊(duì)想研發(fā)一種小于1平方毫米、能在芯片集成的電池，其最小能量密度為100μWh/cm2。

為達(dá)到預(yù)期效果，該團(tuán)隊(duì)在微尺度使用了一種與特斯拉電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用相似的電池工藝，利用應(yīng)力自組裝他們將集電器和電極條進(jìn)行纏繞。通過(guò)該工藝，他們?nèi)〉昧肆钊瞬毮康膶?shí)驗(yàn)結(jié)果——預(yù)計(jì)能給微型計(jì)算機(jī)芯片10小時(shí)的電力支持。

采用微型折紙技術(shù)構(gòu)建的片上“瑞士卷”電池

該團(tuán)隊(duì)希望實(shí)現(xiàn)“永不停機(jī)”的供電，而實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)行的關(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)亞毫米級(jí)能量收集器和存儲(chǔ)設(shè)備。

不同的片上發(fā)電方式可以驅(qū)動(dòng)微型亞毫米級(jí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。然而，微型熱電發(fā)電機(jī)的問(wèn)題是，由于輸出功率過(guò)低，直接導(dǎo)致灰塵大小的芯片不能驅(qū)動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)也可作為供電能源。與太陽(yáng)能供電類(lèi)似，這種方法受環(huán)境、時(shí)間等限制，無(wú)法滿足隨時(shí)供電。

該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一種“內(nèi)卷”式新方法來(lái)制備微型電池結(jié)構(gòu)，他們將電池薄膜像“瑞士卷”蛋糕那樣卷成圓柱形，并成功地將這種電池結(jié)構(gòu)在微尺度和片上實(shí)現(xiàn)。

在芯片上堆疊薄膜

通常，只需要一個(gè)卷繞機(jī)就可以將薄膜做成“瑞士卷”的電池結(jié)構(gòu)。但是，在微尺度和片上，沒(méi)有可以使用的輔助設(shè)備。

而該團(tuán)隊(duì)使用芯片的應(yīng)力自組裝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了同樣的結(jié)構(gòu)。朱旻棽表示，“通過(guò)這種自組裝的方式，很容易實(shí)現(xiàn)1平方毫米，甚至0.1平方毫米以內(nèi)的微型電池，同時(shí)，其加工過(guò)程以相對(duì)成熟的片上薄膜加工方式，適合擴(kuò)大制備規(guī)模?！?/p>

自組裝也就意味著，其組裝機(jī)械力靠其自身而不依賴外力。具體來(lái)說(shuō)，利用機(jī)械力釋放，再自動(dòng)彈回變?yōu)椤叭鹗烤怼苯Y(jié)構(gòu)。這種方法可直接用于現(xiàn)有的芯片生產(chǎn)工藝，并且，還能晶圓級(jí)生產(chǎn)高能量微電池。

亞毫米級(jí)微型電池，電池以各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量和功率密度的基準(zhǔn)值

從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)將只有幾平方毫米的薄膜電池通過(guò)自組裝形變的方式極大縮小了面積，因此，這種微型電池可以在很小的占地面積上擁有相對(duì)較高的能量密度。

以密歇根州立大學(xué)開(kāi)發(fā)的最小的電腦為例，其大小只有約0.1平方毫米，在這個(gè)尺度下，現(xiàn)有的電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)集成。因此，這樣的微電子系統(tǒng)只能依賴太陽(yáng)能電池。然而，太陽(yáng)能電池面臨無(wú)法全天候工作的問(wèn)題。

朱旻棽認(rèn)為，如果能加入這種微型電池，保障在太陽(yáng)能電池?zé)o法工作的時(shí)候的“補(bǔ)充”供電，將極大地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)于植入式生物器件來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在通常依賴于獲取超聲能量，植入的深度以及區(qū)域受限，隨著微型電池的可集成，將有望極大地提高植入式設(shè)備的工作范圍。

這種微型電池在亞平方毫米尺度上的儲(chǔ)能性能讓人們看到了新方向，其潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括物聯(lián)網(wǎng)、植入式生物器件、微型機(jī)器人系統(tǒng)和超柔性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

據(jù)悉，以微型電池現(xiàn)有技術(shù)可以支撐一些簡(jiǎn)單的電子功能的集成，但是受限于能量密度，還不能應(yīng)用于一些高耗能的電子系統(tǒng)中。

目前，該團(tuán)隊(duì)正在申請(qǐng)相關(guān)技術(shù)專(zhuān)利，并與一些公司接洽合作事宜。談及該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，朱旻棽表示，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)完善微尺度的片上電池，同時(shí)考慮智能微系統(tǒng)的功率要求和單片集成的可行性，使其真正地集成到微電子系統(tǒng)中。

“我們的目標(biāo)是5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)最小4英寸晶圓規(guī)模的制備，同時(shí)將面能量密度提高到10mWh/cm上?！彼f(shuō)。