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世界上最小的電池，比一粒鹽還小！
智能微塵是微電子和納米電子領(lǐng)域最有前途的未來技術(shù)之一。在最近出版的《Advanced Energy Materials》中，研究人員討論了如何在亞毫米級(jí)實(shí)現(xiàn)電池供電的智能粉塵應(yīng)用，并展示了迄今為止世界上最小的電池作為面向應(yīng)用的原型。
計(jì)算機(jī)變得越來越小，就像當(dāng)前的手機(jī)提供類似于筆記本電腦的計(jì)算能力一樣。小型化的趨勢仍在繼續(xù)。
智能微塵應(yīng)用（微型微電子設(shè)備），例如體內(nèi)的生物相容性傳感器系統(tǒng)，需要比灰塵更小的計(jì)算機(jī)和電池。
智能微塵是微電子和納米電子領(lǐng)域最有前途的未來技術(shù)之一。Smart Dust 預(yù)計(jì)將承擔(dān)許多以前無法完成的任務(wù)，特別是在使用和監(jiān)控工業(yè)廠房、機(jī)器和農(nóng)業(yè)區(qū)域以及民防和災(zāi)害控制，以及醫(yī)藥和醫(yī)療保健方面。特別有遠(yuǎn)見的是人體的診斷和治療，例如對(duì)器官功能的密切監(jiān)測的生物相容性傳感器系統(tǒng)。
到目前為止，這一發(fā)展受到兩個(gè)主要因素的阻礙：缺乏隨時(shí)隨地運(yùn)行的片上電源以及難以生產(chǎn)可集成微電池。
在最近出版的《Advanced Energy Materials》中，開姆尼茨理工大學(xué)納米電子材料系統(tǒng)教授、納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心（MAIN）科學(xué)主任 Oliver G. Schmidt 教授，自 2022 年 2 月起在 MAIN 研究中心 Schmidt 教授團(tuán)隊(duì)工作的朱敏申博士與來自德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所 (IFW) 和長春應(yīng)用化學(xué)研究所的研究人員提出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的解決方案。他們討論了如何在亞毫米級(jí)實(shí)現(xiàn)電池供電的智能粉塵應(yīng)用，并展示了迄今為止世界上最小的電池作為面向應(yīng)用的原型。


世界上最小的電池比一粒鹽還小，可以在晶圓表面大量生產(chǎn)。圖片來源：TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden
“我們的結(jié)果顯示出令人鼓舞的亞平方毫米級(jí)儲(chǔ)能性能，”朱敏申博士和 Oliver Schmidt 教授補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)仍有巨大的優(yōu)化潛力，我們可以期待更強(qiáng)大的微電池將來。”
超越小型化的極限
通過開發(fā)適當(dāng)?shù)碾姵鼗颉笆占狈椒▉戆l(fā)電，可以提供運(yùn)行微型亞毫米級(jí)計(jì)算機(jī)的電力。
例如，在“收集”領(lǐng)域，微型熱電發(fā)電機(jī)將熱量轉(zhuǎn)化為電能，但它們的輸出功率太低，無法驅(qū)動(dòng)灰塵大小的芯片。機(jī)械振動(dòng)是為微型設(shè)備供電的另一種能源。在小芯片上將光轉(zhuǎn)化為電能的小型光伏電池也很有前景。
然而，光線和振動(dòng)并非在所有時(shí)間和所有地方都可用，這使得在許多環(huán)境中無法按需操作。例如，在人體中也是如此，微型傳感器和執(zhí)行器需要持續(xù)供電。強(qiáng)大的微型電池將解決這個(gè)問題。
然而，微型電池的生產(chǎn)與日常生產(chǎn)的電池截然不同。例如，具有高能量密度的緊湊型電池（例如紐扣電池）是使用濕化學(xué)制造的。電極材料和添加劑（碳材料和粘合劑）被加工成漿料并涂在金屬箔上。使用此類標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生產(chǎn)的片上微電池可以提供良好的能量和功率密度，但占地面積明顯超過一平方毫米。
縮小特斯拉技術(shù)：Swiss-roll 工藝為塵埃大小的計(jì)算機(jī)提供片上電池
堆疊薄膜、電極柱或叉指微電極用于片上電池制造。然而，這些設(shè)計(jì)往往會(huì)受到能量存儲(chǔ)較差的影響，并且這些電池的占地面積不能顯著減少到 1 平方毫米以下。因此，施密特教授、朱博士和他們的團(tuán)隊(duì)成員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種明顯小于 1 平方毫米且可集成在芯片上的電池，其最小能量密度仍為每平方厘米 100 微瓦時(shí)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)在微尺度上纏繞了集電器和電極條——特斯拉也大規(guī)模使用類似的工藝來制造其電動(dòng)汽車的電池。
研究人員使用所謂的“瑞士卷”或“微型折紙”工藝。通過將聚合物、金屬和介電材料的薄層連續(xù)涂覆到晶片表面上來創(chuàng)建具有固有張力的分層系統(tǒng)。機(jī)械張力通過剝離薄層來釋放，然后自動(dòng)彈回以卷成瑞士卷結(jié)構(gòu)。因此，不需要外力來制造這種自繞式圓柱微型電池。該方法與已建立的芯片制造技術(shù)兼容，并且能夠在晶圓表面上生產(chǎn)高產(chǎn)量的微電池。
使用這種方法，研究小組已經(jīng)生產(chǎn)出可以為世界上最小的計(jì)算機(jī)芯片供電大約十小時(shí)的可充電微電池——例如，連續(xù)測量當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度。一種微型電池，在物聯(lián)網(wǎng)、微型醫(yī)療植入物、微型機(jī)器人系統(tǒng)和超柔性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的未來微電子和納米電子傳感器和執(zhí)行器技術(shù)方面具有巨大潛力。