世界上最小的电池可以为一粒灰尘大小的计算机供电

李冰381

世界上最小的电池可以为一粒灰尘大小的计算机供电

智能微尘 “瑞士卷”微型电池结构的3D 片上微电子系统



[导读]：
电子设备的持续小型化要求不断重新构想为其供电的设备，而开姆尼茨理工大学科学家的一个新例子将这项技术带入了微小的新领域。通过部署所谓的受瑞士卷启发的自组装过程，研究人员已经生产出世界上最小的电池，他们说这种电池可用于为人体中的小型传感器供电，以及其他应用。



科学家制造出世界上最小的电池，比一粒盐还小

计算机变得越来越小，就像当前的手机提供类似于笔记本电脑的计算能力一样。小型化的趋势仍在继续。智能微尘应用（微型微电子设备），例如体内的生物相容性传感器系统，需要比灰尘更小的计算机和电池。



计算机的体积进化。
智能灰尘是微电子和纳米电子领域最有前途的未来技术之一。Smart Dust 预计将承担许多以前无法完成的任务，特别是在使用和监控工业厂房、机器和农业区域以及民防和灾害控制，以及医药和医疗保健方面。特别有远见的是人体的诊断和治疗，例如对器官功能的密切监测的生物相容性传感器系统。
到目前为止，这一发展受到两个主要因素的阻碍：缺乏随时随地运行的片上电源以及难以生产可集成微电池。

为了使这些微电子系统能够自主和连续工作，需要稳定的能源供应。然而，通过电池为这种微电子系统提供独立和集成的能量供应仍然是未解决的任务之一。一个特别的挑战是传统的电池类型，如锂离子电池，不能在如此小的规模上使用。相反，需要探索全新的电池类型，理想情况下从一开始就直接集成到系统中。
在著名且被高度引用的期刊Advanced Energy Materials的最新一期中，Oliver G. Schmidt 教授教授开姆尼茨理工大学纳米电子材料系统教授、纳米膜材料、结构与集成中心（MAIN）科学主任，一直在施密特教授课题组工作的朱敏申博士自 2022 年 2 月以来的 MAIN 中心，以及来自德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所 (IFW) 和长春应用化学研究所的研究人员提出了应对这些挑战的解决方案。他们讨论了如何在亚毫米级实现电池供电的智能粉尘应用，并展示了迄今为止世界上最小的电池作为面向应用的原型。



迈向亚毫米2微电池。电池以各种结构实现能量和功率密度的基准值。
“我们的结果显示出令人鼓舞的亚平方毫米级储能性能”，朱敏申博士和 Oliver Schmidt 教授补充道：“这项技术仍有巨大的优化潜力，我们可以期待更强大的微电池将来。”


朱敏申博士（左）和 Oliver G. Schmidt 教授在 Advanced Energy Materials 杂志上展示了世界上最小的电池。这是亚毫米级能量存储技术的突破性技术。在图片中，施密特教授展示了一种可以配备大量此类微型电池的柔性微电子芯片。

超越小型化的极限
通过开发适当的电池或“收集”方法来发电，可以提供运行微型亚毫米级计算机的电力。例如，在“收获”领域，微型热电发电机将热能转化为电能，但它们的输出功率太低，无法驱动灰尘大小的芯片。机械振动是为微型设备供电的另一种能源。在小芯片上将光转化为电能的小型光伏电池也很有前景。
然而，光线和振动并非在所有时间和所有地方都可用，这使得在许多环境中无法按需操作。其他可能的应用包括机器人系统和超灵活的柔性可穿戴电子产品。例如，在人体中也是如此，微型传感器和执行器需要持续供电。强大的微型电池将解决这个问题。
然而，微型电池的生产与日常生产的电池截然不同。例如，具有高能量密度的紧凑型电池（例如纽扣电池）是使用湿化学制造的。电极材料和添加剂（碳材料和粘合剂）被加工成浆料并涂在金属箔上。使用此类标准技术生产的片上微电池可以提供良好的能量和功率密度，但占地面积明显超过一平方毫米。
缩小特斯拉技术：Swiss-roll 工艺为尘埃大小的计算机提供片上电池
堆叠薄膜、电极柱或叉指微电极用于片上电池制造。然而，这些设计往往会受到能量存储较差的影响，并且这些电池的占地面积不能显着减少到 1 平方毫米以下。因此，施密特教授、朱博士和他们的团队成员的目标是设计一种明显小于 1 平方毫米且可集成在芯片上的电池，其最小能量密度仍为每平方厘米 100 微瓦时。
为了实现这一目标，该团队在微尺度上缠绕了集电器和电极条——特斯拉也大规模使用类似的工艺来制造其电动汽车的电池。



研究人员使用所谓的“瑞士卷”或“微型折纸”工艺。通过将聚合物、金属和介电材料的薄层连续涂覆到晶片表面上来创建具有固有张力的分层系统。机械张力通过剥离薄层来释放，然后自动弹回以卷成瑞士卷结构。因此，不需要外力来制造这种自绕式圆柱微型电池。该方法与已建立的芯片制造技术兼容，并且能够在晶圆表面上生产高产量的微电池。

使用这种方法，研究小组已经生产出可以为世界上最小的计算机芯片供电约十小时的可充电微型电池——例如，连续测量当地环境温度。一种微型电池，在物联网、微型医疗植入物、微型机器人系统和超柔性电子产品等领域的未来微电子和纳米电子传感器和执行器技术方面具有巨大潜力。

关于朱敏申博士
朱敏申先后在北京化工大学和香港城市大学学习材料科学与工程。2017年，朱从香港城市大学获得博士学位，随后加入莱布尼茨IFW Dresden的Oliver G. Schmidt教授团队。朱博士在 2020 年和 2021 年被斯坦福大学列为世界前 2% 的科学家，在其领域内被引用次数最多的研究人员。
朱敏申博士因其在“智能粉尘”领域的出色研究项目获得了开姆尼茨理工大学的首个 ERC (欧洲研究委员会)资助。