隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的體型變得越來(lái)越小。那些尺寸在1立方毫米以內(nèi)的微型計(jì)算機(jī)甚至可以作為微型傳感器放置到人體內(nèi)檢測(cè)氧氣水平、查看術(shù)后恢復(fù)情況等等。然而此類(lèi)微型計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要尺寸小，性能精悍，且可以與芯片上的其他功能電路單片集成的微型電池。

這就對(duì)微型電池的研發(fā)提出了更高的挑戰(zhàn)。不過(guò)，科學(xué)家們近日研發(fā)出了比一粒鹽還小的電池，計(jì)算機(jī)再縮小或許指日可待。

計(jì)算機(jī)小型化的趨勢(shì)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）

如何研制出可應(yīng)用的微型電池

電池本質(zhì)上像是一個(gè)多層的三明治，兩個(gè)電極以化學(xué)能形式儲(chǔ)存電能，在兩極之間，電解質(zhì)引導(dǎo)電荷流動(dòng)，再由電極上的兩個(gè)金屬集電器將電引到外部電路。電極越小，能容納的電荷就越少，且裂紋和其他缺陷也可能阻止電荷的流動(dòng)，厚厚材料層中的離子和電子的扭曲通道也會(huì)增加電阻，引發(fā)電量損耗。

紐扣電池結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：筆者自譯）

而微型電池的生產(chǎn)技術(shù)又與日常使用的電池制造技術(shù)截然不同。例如，具有高能量密度的紐扣電池是使用濕化學(xué)（注：有液相參加的、通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)制備材料的方法）制造的，里面的電極材料和添加劑(碳材料和粘合劑)涂覆在作為集電器的金屬箔上，電解質(zhì)膜夾在電極之間，電極厚度達(dá)到100μm，具有較高的容量。然而這種制造方法生產(chǎn)的電極太厚，不能應(yīng)用于包含沉積和蝕刻步驟，要求高精確度和高覆蓋率的片上技術(shù)（在一個(gè)芯片上集成一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）。

此外，芯片上的電池的容量很難提高。因?yàn)?，芯片允許的電極厚度為幾微米，而較小的電極能容納的電荷很少，所以目前先進(jìn)的微型電池的容量幾乎只有紐扣電池的1/10。

紐扣電池（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

現(xiàn)有在芯片上構(gòu)建微型電池的工藝一般有以下幾種：

1.堆疊式工藝

將電池以三明治的樣式疊在一起，使電荷更有規(guī)則地流動(dòng)。但是需要防止層狀結(jié)構(gòu)分層和缺陷的產(chǎn)生，而且蝕刻過(guò)程也要避免上層的工藝對(duì)下層的材料產(chǎn)生破壞。

堆疊式（圖片來(lái)源：筆者自譯）

2.電極柱式工藝

在硅晶片上構(gòu)建3D精細(xì)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展電極表面,增加與電極和電解質(zhì)的接觸面積，從而提高獲取能源的效率。但是此方法中，固態(tài)電解質(zhì)在電極柱上形成均勻涂層等這些步驟對(duì)精度的要求極高。

電極柱式（圖片來(lái)源：筆者自譯）

3.叉指微電極工藝

重新設(shè)計(jì)電流集電器，將電極柱和叉指設(shè)計(jì)（像兩手交叉相握的手指一樣具有周期性的圖案）相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高儲(chǔ)存能力。但是需要精密的制造工具才能達(dá)到較高的容量。

叉指微電極式（圖片來(lái)源：筆者自譯）

采用堆疊式工藝、電極柱式工藝和叉指微電極工藝的微型電池，往往不能在保證電池供電性能的條件下，將占地面積縮小到1 mm2以下。而微型電池（占地面積<1 mm2）的能量密度至少為100μWh/cm2才有應(yīng)用空間。因此，研究人員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種面積明顯小于1 mm2且可以集成在芯片上的電池，其最小能量密度為100μWh cm-2，怎么實(shí)現(xiàn)呢？

電池制作也要“卷”起來(lái)！

近日，有科學(xué)家就采用“瑞士卷”工藝研制出了迄今為止最小的微型電池，其大小比一粒鹽還要小，可以為世界上最小的計(jì)算機(jī)芯片供電大約10個(gè)小時(shí)，并且能夠反復(fù)充電。

世界上最小的微型電池（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）

與此同時(shí)，該方法與現(xiàn)有芯片制造技術(shù)相兼容，能夠在晶圓表面生產(chǎn)高通量微型電池。目前這項(xiàng)研究成果發(fā)表在了《先進(jìn)能源材料》上，研究團(tuán)隊(duì)來(lái)自德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所。

這種“瑞士卷”工藝是怎么實(shí)現(xiàn)的？

“瑞士卷”工藝，顧名思義就是將電池像瑞士卷一樣卷起來(lái)，這種技術(shù)通過(guò)不同薄膜的涂覆來(lái)創(chuàng)建具有張力的分層系統(tǒng)，這種張力像鋼卷尺里面的彈簧帶來(lái)的能量一樣，張力會(huì)通過(guò)薄膜自動(dòng)彈卷成瑞士卷結(jié)構(gòu)來(lái)釋放，因此不需要外力來(lái)建造這種自發(fā)卷繞式的圓柱微型電池。

瑞士卷的形貌（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)、參考文獻(xiàn)）

標(biāo)準(zhǔn)“瑞士卷”結(jié)構(gòu)的微型電池包含至少五層的結(jié)構(gòu)：兩個(gè)集電極層，一個(gè)陰極膜，一個(gè)陽(yáng)極膜和一個(gè)電解質(zhì)膜。如此復(fù)雜的疊加使得工藝制作變得困難。此外，“瑞士卷工藝”對(duì)薄膜的韌性等要求非常高，而且還要避免在卷起過(guò)程中帶來(lái)的電池短路等問(wèn)題。

瑞士卷式（圖片來(lái)源：筆者自譯）

而這次的研究主要有2方面的突破：第一是采用“瑞士卷”的工藝，在保證電池能量密度的同時(shí)，使得電池大小比一粒鹽還??；第二是該方法與已有的芯片制造技術(shù)兼容，并能夠在晶圓表面生產(chǎn)高通量微電池。

微型電池的技術(shù)突破（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)）

特斯拉也大規(guī)模使用了類(lèi)似的工藝來(lái)制造其電動(dòng)汽車(chē)的18650電池，其中18表示直徑為18mm，65表示長(zhǎng)度為65mm，0表示為圓柱形電池。在采用此工藝后，特斯拉電池的容量增加約28倍，組裝成的電池組可為特斯拉的電動(dòng)汽車(chē)提供數(shù)百英里的動(dòng)力。

微型電池研究還需實(shí)現(xiàn)什么目標(biāo)

其實(shí)，研發(fā)微型電池的關(guān)鍵就2點(diǎn)：小而精。小：尺寸??；精：具有足夠的能量密度。

但是，在解決占地大小和儲(chǔ)能的過(guò)程中，需要有較高的工藝標(biāo)準(zhǔn)才能達(dá)成小而精的效果，比如均勻涂層、生產(chǎn)誤差的最小化、能夠與設(shè)備單片集成等。總而言之，微型電池要想得到進(jìn)一步的應(yīng)用，還需要完成以下目標(biāo)：

1.可以穩(wěn)定運(yùn)行，且具有足夠能量密度的電池

首先是解決錯(cuò)位問(wèn)題。像卷海報(bào)一樣，要想讓薄膜卷上幾百次而不錯(cuò)位是很困難的。在這個(gè)過(guò)程可以用磁力引導(dǎo)，即在電池膜中加入少量鐵磁性材料，并施加磁場(chǎng)，可使卷曲過(guò)程的錯(cuò)位最小化，但是對(duì)于電池組來(lái)說(shuō)，這會(huì)帶來(lái)更厚的厚度，且電池組的機(jī)械性能會(huì)更加難以預(yù)測(cè)。

其次還要保證循環(huán)穩(wěn)定性。循環(huán)穩(wěn)定性是所有電池的核心挑戰(zhàn)之一，大多數(shù)微型電池的可循環(huán)次數(shù)不到100次。需要在微尺度上采取適當(dāng)?shù)牟呗?，解決固態(tài)電解質(zhì)離子導(dǎo)電性差、界面電阻大以及聚合物電解質(zhì)氧化穩(wěn)定性低的問(wèn)題，來(lái)實(shí)現(xiàn)界面的穩(wěn)定。

2.與設(shè)備進(jìn)行單片集成

發(fā)展微型電池的最終目標(biāo)是應(yīng)用到微型計(jì)算機(jī)上，所以微型電池需要能夠與設(shè)備進(jìn)行單片集成。例如，用“瑞士卷”工藝的電池卷起來(lái)后，留下的芯片區(qū)域可用于容納一個(gè)緊湊的3D微系統(tǒng)。

決定微型電池能否最終應(yīng)用到微系統(tǒng)中的核心參數(shù)是可用的能量。簡(jiǎn)而言之，微型電池（占地面積<1 mm2）的能量密度至少為100μWh/cm2才有應(yīng)用空間。

未來(lái)的應(yīng)用前景（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

結(jié)語(yǔ)

微型計(jì)算機(jī)、傳感器的正常使用需要持續(xù)供電。通過(guò)微型電池或“微型發(fā)電機(jī)”的添置，可以為毫米級(jí)微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行提供電力。

而“微型發(fā)電機(jī)”雖然可以使用動(dòng)能、太陽(yáng)能以及熱能來(lái)發(fā)電，但是對(duì)使用場(chǎng)景存在限制，比如人體內(nèi)。此外，“微型發(fā)電機(jī)”還需要有一定的輸出功率才可以驅(qū)動(dòng)微型計(jì)算機(jī)。而合適的微型電池就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，并且可以在能量收集中斷的情況下作為備用電源來(lái)提供能量。

我們期望通過(guò)不懈地研究，未來(lái)微型電池能在物聯(lián)網(wǎng)、微型醫(yī)療植入物等領(lǐng)域中大顯身手，并應(yīng)用于未來(lái)的微納米級(jí)電子傳感器和執(zhí)行器內(nèi)，或是機(jī)器人系統(tǒng)、超柔性電子產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yang Li,Minshen Zhu,Vineeth Kumar Bandari,Dmitriy D.Karnaushenko,Daniil Karnaushenko,Feng Zhu,Oliver G.Schmidt.On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers.Advanced Energy Materials,doi:10.1002/aenm.202103641(2022).

[2]李人茜.微型機(jī)器人和微型傳感器需要微型電池——如何做到這一點(diǎn)[J].上海節(jié)能,2021(06):656-658.

[3]劉金成,梁新波,周震濤.微型扣式Li-MnO_2蓄電池的研制[J].電源技術(shù),2004(03):153-155.

[4]https://techxplore.com/news/2022-02-world-smallest-battery-power-size.html

[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1725798058990683862&wfr=spider&for=pc

[6]https://zhuanlan.zhihu.com/p/127195348

作者單位：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所