以“瑞士卷”蛋糕为灵感,全球迷你尺寸电池问世

全球最小的微型电池电池可以小到什幺程度,可以比一粒盐还小吗?科学家给出了肯定答案,在保持完整的电池功

以“瑞士卷”蛋糕为灵感,全球迷你尺寸电池问世

全球最小的微型电池

电池可以小到什幺程度,可以比一粒盐还小吗?科学家给出了肯定答案,在保持完整的电池功能以外,将微型电池的面积做到了0.1平方毫米。

近日,开姆尼茨理工大学、德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所、中国科学院长春应用化学研究所团队成功研发全球最小电池,预计可给微型计算机芯片10小时的供电支持,并展现出亚毫米级的电池的应用价值。

2022年2月9日,相关论文以《用于粉尘大小计算机的片上电池》为题发表在Advanced Energy Materials。该论文第一作者是开姆尼茨理工大学博士生李阳、朱曼旻研究员,通讯作者为朱曼棽研究员、朱峰研究员、奥利弗·G·施密特院士。

以“瑞士卷”蛋糕为灵感,全球迷你尺寸电池问世

该论文通讯作者兼第一作者朱昊棽(左)、通讯作者奥利弗·G·施密特

随着计算机、移动设备、可穿戴传感器等技术的发展,小型智能器件在人们的日常生活中越来越常见。然而,它们的微型化发展却受阻于设备与电池的尺寸、性能“不搭”及持久供电问题。

从尺寸来看,当电子设备越来越小,片上电源(微型电池)的高能储存与面积缩小的不协同的矛盾就越发明显。从供电方式来看,太阳能供电也许是一种解决方案,但是同时它也受到环境及收集方法的限制。

因此,如何更稳定、持续地供电,并将微型电池的面积缩小到1平方毫米以下,成为科学家关注的重点。

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特斯拉汽车电池设计与微型电池工艺对比

在以往的研究中,片上电池的极限小型化程度大约占地1平方毫米左右,性能在1mAh/cm2左右。发表在Advanced Materials的相关论文显示,研究人员用3D打印的方法,可实现厚度上的优势,从而带来良好的储能性能。但这种方法受限于工艺,难以实现1平方毫米以内的发展。

而该团队想研发一种小于1平方毫米、能在芯片集成的电池,其最小能量密度为100μWh/cm2。

为达到预期效果,该团队在微尺度使用了一种与特斯拉电动汽车应用相似的电池工艺,利用应力自组装他们将集电器和电极条进行缠绕。通过该工艺,他们取得了令人瞩目的实验结果——预计能给微型计算机芯片10小时的电力支持。

以“瑞士卷”蛋糕为灵感,全球迷你尺寸电池问世

采用微型折纸技术构建的片上“瑞士卷”电池

该团队希望实现“永不停机”的供电,而实现这种运行的关键在于开发亚毫米级能量收集器和存储设备。

不同的片上发电方式可以驱动微型亚毫米级计算机的运行。然而,微型热电发电机的问题是,由于输出功率过低,直接导致灰尘大小的芯片不能驱动。机械振动也可作为供电能源。与太阳能供电类似,这种方法受环境、时间等限制,无法满足随时供电。

该团队创新地设计了一种“内卷”式新方法来制备微型电池结构,他们将电池薄膜像“瑞士卷”蛋糕那样卷成圆柱形,并成功地将这种电池结构在微尺度和片上实现。

以“瑞士卷”蛋糕为灵感,全球迷你尺寸电池问世

在芯片上堆叠薄膜

通常,只需要一个卷绕机就可以将薄膜做成“瑞士卷”的电池结构。但是,在微尺度和片上,没有可以使用的辅助设备。

而该团队使用芯片的应力自组装过程,实现了同样的结构。朱曼芩表示,“通过这种自组装的方式,很容易实现1平方毫米,甚至0.1平方毫米以内的微型电池,同时,其加工过程以相对成熟的片上薄膜加工方式,适合扩大制备规模。”

自组装也就意味着,其组装机械力靠其自身而不依赖外力。具体来说,利用机械力释放,再自动弹回变为“瑞士卷”结构。这种方法可直接用于现有的芯片生产工艺,并且,还能晶圆级生产高能量微电池。

以“瑞士卷”蛋糕为灵感,全球迷你尺寸电池问世

亚毫米级微型电池,电池以各种结构实现能量和功率密度的基准值

从本质上来说,该团队将只有几平方毫米的薄膜电池通过自组装形变的方式极大缩小了面积,因此,这种微型电池可以在很小的占地面积上拥有相对较高的能量密度。

以密歇根州立大学开发的最小的电脑为例,其大小只有约0.1平方毫米,在这个尺度下,现有的电池无法实现集成。因此,这样的微电子系统只能依赖太阳能电池。然而,太阳能电池面临无法全天候工作的问题。

朱旻棽认为,如果能加入这种微型电池,保障在太阳能电池无法工作的时候的“补充”供电,将极大地扩展其应用场景。

对于植入式生物器件来说,现在通常依赖于获取超声能量,植入的深度以及区域受限,随着微型电池的可集成,将有望极大地提高植入式设备的工作范围。

这种微型电池在亚平方毫米尺度上的储能性能让人们看到了新方向,其潜在应用场景包括物联网、植入式生物器件、微型机器人系统和超柔性电子产品等领域。

据悉,以微型电池现有技术可以支撑一些简单的电子功能的集成,但是受限于能量密度,还不能应用于一些高耗能的电子系统中。

目前,该团队正在申请相关技术专利,并与一些公司接洽合作事宜。谈及该技术的未来发展,朱旻棽表示,该团队将继续完善微尺度的片上电池,同时考虑智能微系统的功率要求和单片集成的可行性,使其真正地集成到微电子系统中。

“我们的目标是5年内实现最小4英寸晶圆规模的制备,同时将面能量密度提高到10mWh/cm2上。”他说。(综合整理报道)(编辑/费勒萌)

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