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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域最有前途的未來技術之一。在最近出版的《Advanced Energy Materials》中，研究人員討論了如何在亞毫米級實現電池供電的智能粉塵應用，并展示了迄今為止世界上最小的電池作為面向應用的原型。
計算機變得越來越小，就像當前的手機提供類似于筆記本電腦的計算能力一樣。小型化的趨勢仍在繼續。
智能微塵應用（微型微電子設備），例如體內的生物相容性傳感器系統，需要比灰塵更小的計算機和電池。
智能微塵是微電子和納米電子領域最有前途的未來技術之一。Smart Dust 預計將承擔許多以前無法完成的任務，特別是在使用和監控工業廠房、機器和農業區域以及民防和災害控制，以及醫藥和醫療保健方面。特別有遠見的是人體的診斷和治療，例如對器官功能的密切監測的生物相容性傳感器系統。
到目前為止，這一發展受到兩個主要因素的阻礙：缺乏隨時隨地運行的片上電源以及難以生產可集成微電池。
在最近出版的《Advanced Energy Materials》中，開姆尼茨理工大學納米電子材料系統教授、納米膜材料、結構和集成中心（MAIN）科學主任 Oliver G. Schmidt 教授，自 2022 年 2 月起在 MAIN 研究中心 Schmidt 教授團隊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) 和長春應用化學研究所的研究人員提出了應對這些挑戰的解決方案。他們討論了如何在亞毫米級實現電池供電的智能粉塵應用，并展示了迄今為止世界上最小的電池作為面向應用的原型。


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。圖片來源：TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden
“我們的結果顯示出令人鼓舞的亞平方毫米級儲能性能，”朱敏申博士和 Oliver Schmidt 教授補充道：“這項技術仍有巨大的優化潛力，我們可以期待更強大的微電池將來。”
超越小型化的極限
通過開發適當的電池或“收集”方法來發電，可以提供運行微型亞毫米級計算機的電力。
例如，在“收集”領域，微型熱電發電機將熱量轉化為電能，但它們的輸出功率太低，無法驅動灰塵大小的芯片。機械振動是為微型設備供電的另一種能源。在小芯片上將光轉化為電能的小型光伏電池也很有前景。
然而，光線和振動并非在所有時間和所有地方都可用，這使得在許多環境中無法按需操作。例如，在人體中也是如此，微型傳感器和執行器需要持續供電。強大的微型電池將解決這個問題。
然而，微型電池的生產與日常生產的電池截然不同。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。使用此類標準技術生產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：Swiss-roll 工藝為塵埃大小的計算機提供片上電池
堆疊薄膜、電極柱或叉指微電極用于片上電池制造。然而，這些設計往往會受到能量存儲較差的影響，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、朱博士和他們的團隊成員的目標是設計一種明顯小于 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。
為了實現這一目標，該團隊在微尺度上纏繞了集電器和電極條——特斯拉也大規模使用類似的工藝來制造其電動汽車的電池。
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涂覆到晶片表面上來創建具有固有張力的分層系統。機械張力通過剝離薄層來釋放，然后自動彈回以卷成瑞士卷結構。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兼容，并且能夠在晶圓表面上生產高產量的微電池。
使用這種方法，研究小組已經生產出可以為世界上最小的計算機芯片供電大約十小時的可充電微電池——例如，連續測量當地環境溫度。一種微型電池，在物聯網、微型醫療植入物、微型機器人系統和超柔性電子產品等領域的未來微電子和納米電子傳感器和執行器技術方面具有巨大潛力。