全球最小面積電池問世，或將應用于植入式生物器件、微型機器人等領域
發布時間：2022-04-11 www.xstr.xyz
電池可以小到什么程度，可以比一粒鹽還小嗎？科學家給出了肯定答案，在保持完整的電池功能以外，將微型電池的面積做到了 0.1mm2。
圖丨全球最小的微型電池（來源：開姆尼茨理工大學）
近日，開姆尼茨理工大學、德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所、中國科學院長春應用化學研究所團隊成功研發全球最小電池，預計可給微型計算機芯片 10 小時的供電支持，并展現出亞毫米級的電池的應用價值。
圖丨相關論文（來源：Advanced Energy Materials）
2 月 9 日，相關論文以《用于粉塵大小計算機的片上電池》（On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers）為題發表在 Advanced Energy Materials[1]。該論文第一作者是開姆尼茨理工大學博士生李陽、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（Oliver G. Schmidt）院士。
圖丨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（Oliver G. Schmidt）（來源：開姆尼茨理工大學）
隨著計算機、移動設備、可穿戴傳感器等技術的發展，小型智能器件在人們的日常生活中越來越常見。然而，它們的微型化發展卻受阻于設備與電池的尺寸、性能“不搭”及持久供電問題。
從尺寸來看，當電子設備越來越小，片上電源（微型電池）的高能儲存與面積縮小的不協同的矛盾就越發明顯。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境及收集方法的限制。因此，如何更穩定、持續地供電，并將微型電池的面積縮小到 1mm2 以下，成為科學家關注的重點。在以往的研究中，片上電池的極限小型化程度大約占地 1mm2 左右，性能在 1mAh/cm2 左右[2]。發表在 Advanced Materials 的相關論文顯示，研究人員用 3D 打印的方法，可實現厚度上的優勢，從進而帶來良好的儲能性能。但這種方法受限于工藝，難以實現 1mm2 以內的發展。
圖丨特斯拉汽車電池設計與微型電池工藝對比（Advanced Energy Materials）
而該團隊想研發一種小于 1mm2、能在芯片集成的電池 ，其最小能量密度為 100μWh/cm2。
為達到預期效果，該團隊在微尺度使用了一種與特斯拉電動汽車應用相似的電池工藝，利用應力自組裝他們將集電器和電極條進行纏繞。通過該工藝，他們取得了令人矚目的實驗結果——預計能給微型計算機芯片 10 小時的電力支持。
該團隊希望實現“永不停機”的供電，而實現這種運行的關鍵在于開發亞毫米級能量收集器和存儲設備。
不同的片上發電方式可以驅動微型亞毫米級計算機的運行。然而，微型熱電發電機的問題是，由于輸出功率過低，直接導致灰塵大小的芯片不能驅動。機械振動也可作為供電能源。與太陽能供電類似，這種方法受環境、時間等限制，無法滿足隨時供電。
圖丨采用微型折紙技術構建的片上瑞士卷電池（來源：Advanced Energy Materials）
該團隊創新地設計了一種“內卷”式新方法來制備微型電池結構，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構在微尺度和片上實現。
通常，只需要一個卷繞機就可以將薄膜做成“瑞士卷”的電池結構。但是，在微尺度和片上，沒有可以使用的輔助設備。
而該團隊使用芯片的應力自組裝過程，實現了同樣的結構。朱旻棽表示，“通過這種自組裝的方式，很容易實現 1mm2，甚至 0.1mm2 以內的微型電池，同時，其加工過程以相對成熟的片上薄膜加工方式，適合擴大制備規模。”
圖丨在芯片上堆疊薄膜（來源：Advanced Energy Materials）
自組裝也就意味著，其組裝機械力靠其自身而不依賴外力。具體來說，利用機械力釋放，再自動彈回變為“瑞士卷”結構。這種方法可直接用于現有的芯片生產工藝，并且，還能晶圓級生產高能量微電池。
從本質上來說，該團隊將一個幾個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。
圖丨亞毫米級微型電池，電池以各種結構實現能量和功率密度的基準值（來源：Advanced Energy Materials）以密歇根州立大學開發的最小的電腦為例，其大小只有約 0.1mm2，在這個尺度下，現有的電池無法實現集成。因此，這樣的微電子系統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。
朱旻棽認為，如果能加入這種微型電池，保障在太陽能電池無法工作的時候的“補充”供電，將極大地擴展其應用場景。
對于植入式生物器件來說，現在通常依賴于獲取超聲能量，植入的深度以及區域受限，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，其潛在應用場景包括物聯網、植入式生物器件、微型機器人系統和超柔性電子產品等領域。
據悉，以微型電池現有技術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，還不能應用于一些高耗能的電子系統中。
目前，該團隊正在申請相關技術專利，并與一些公司接洽合作事宜。談及該技術的未來發展，朱旻棽表示，該團隊將繼續完善微尺度的片上電池，同時考慮智能微系統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中。“我們的目標是 5 年內實現最小 4 英寸晶圓規模的制備，同時將面能量密度提高到 10mWh/cm2 上。”他說。