以『瑞士卷』蛋糕為靈感全球迷你尺寸電池問世

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、中國科學(xué)院長春應(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小時的供電支持，并展現(xiàn)出亞毫米級的電池的應(yīng)用價值。

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姆尼茨理工大學(xué)博士生李陽、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越常見。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”及持久供電問題。

從尺寸來看，當(dāng)電子設(shè)備越來越小，片上電源（微型電池）的高能儲存與面積縮小的不協(xié)同的矛盾就越發(fā)明顯。從供電方式來看，太陽能供電也許是一種解決方案，但是同時它也受到環(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)。

特斯拉汽車電池設(shè)計(jì)與微型電池工藝對比

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，從而帶來良好的儲能性能。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汽車應(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)鍵在于開發(fā)亞毫米級能量收集器和存儲設(shè)備。

不同的片上發(fā)電方式可以驅(qū)動微型亞毫米級計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。然而，微型熱電發(fā)電機(jī)的問題是，由于輸出功率過低，直接導(dǎo)致灰塵大小的芯片不能驅(qū)動。機(jī)械振動也可作為供電能源。與太陽能供電類似，這種方法受環(huán)境、時間等限制，無法滿足隨時供電。

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)力自組裝過程，實(shí)現(xiàn)了同樣的結(jié)構(gòu)。朱旻棽表示，“通過這種自組裝的方式，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，其加工過程以相對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。具體來說，利用機(jī)械力釋放，再自動彈回變?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，還能晶圓級生產(chǎn)高能量微電池。

亞毫米級微型電池，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)上來說，該團(tuán)隊(duì)將只有幾平方毫米的薄膜電池通過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較高的能量密度。

以密歇根州立大學(xué)開發(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)只能依賴太陽能電池。然而，太陽能電池面臨無法全天候工作的問題。

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

對于植入式生物器件來說，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能性能讓人們看到了新方向，其潛在應(yīng)用場景包括物聯(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)正在申請相關(guān)技術(shù)專利，并與一些公司接洽合作事宜。談及該技術(shù)的未來發(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，同時將面能量密度提高到10mWh/cm上?！彼f。