隨著科技的發(fā)展，計算機的體型變得越來越小。那些尺寸在1立方毫米以內(nèi)的微型計算機甚至可以作為微型傳感器放置到人體內(nèi)檢測氧氣水平、查看術后恢復情況等等。然而此類微型計算機的驅動需要尺寸小，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。

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

計算機小型化的趨勢（圖片來源：參考文獻）

如何研制出可應用的微型電池

電池本質上像是一個多層的三明治，兩個電極以化學能形式儲存電能，在兩極之間，電解質引導電荷流動，再由電極上的兩個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，厚厚材料層中的離子和電子的扭曲通道也會增加電阻，引發(fā)電量損耗。

紐扣電池結構（圖片來源：筆者自譯）

而微型電池的生產(chǎn)技術又與日常使用的電池制造技術截然不同。例如，具有高能量密度的紐扣電池是使用濕化學（注：有液相參加的、通過化學反應來制備材料的方法）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，電解質膜夾在電極之間，電極厚度達到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（在一個芯片上集成一個計算機系統(tǒng)）。

此外，芯片上的電池的容量很難提高。因為，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（圖片來源：Veer圖庫）

現(xiàn)有在芯片上構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。但是需要防止層狀結構分層和缺陷的產(chǎn)生，而且蝕刻過程也要避免上層的工藝對下層的材料產(chǎn)生破壞。

堆疊式（圖片來源：筆者自譯）

2.電極柱式工藝

在硅晶片上構建3D精細結構，擴展電極表面,增加與電極和電解質的接觸面積，從而提高獲取能源的效率。但是此方法中，固態(tài)電解質在電極柱上形成均勻涂層等這些步驟對精度的要求極高。

電極柱式（圖片來源：筆者自譯）

3.叉指微電極工藝

重新設計電流集電器，將電極柱和叉指設計（像兩手交叉相握的手指一樣具有周期性的圖案）相結合，可以進一步提高儲存能力。但是需要精密的制造工具才能達到較高的容量。

叉指微電極式（圖片來源：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才有應用空間。因此，研究人員的目標是設計一種面積明顯小于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，怎么實現(xiàn)呢？

電池制作也要“卷”起來！

近日，有科學家就采用“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算機芯片供電大約10個小時，并且能夠反復充電。

世界上最小的微型電池（圖片來源：參考文獻）

與此同時，該方法與現(xiàn)有芯片制造技術相兼容，能夠在晶圓表面生產(chǎn)高通量微型電池。目前這項研究成果發(fā)表在了《先進能源材料》上，研究團隊來自德國開姆尼茨工業(yè)大學和中國科學院長春應用化學研究所。

這種“瑞士卷”工藝是怎么實現(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，這種技術通過不同薄膜的涂覆來創(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的能量一樣，張力會通過薄膜自動彈卷成瑞士卷結構來釋放，因此不需要外力來建造這種自發(fā)卷繞式的圓柱微型電池。

瑞士卷的形貌（圖片來源：Veer圖庫、參考文獻）

標準“瑞士卷”結構的微型電池包含至少五層的結構：兩個集電極層，一個陰極膜，一個陽極膜和一個電解質膜。如此復雜的疊加使得工藝制作變得困難。此外，“瑞士卷工藝”對薄膜的韌性等要求非常高，而且還要避免在卷起過程中帶來的電池短路等問題。

瑞士卷式（圖片來源：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，使得電池大小比一粒鹽還?。坏诙窃摲椒ㄅc已有的芯片制造技術兼容，并能夠在晶圓表面生產(chǎn)高通量微電池。

微型電池的技術突破（圖片來源：參考文獻）

特斯拉也大規(guī)模使用了類似的工藝來制造其電動汽車的18650電池，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為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汽車提供數(shù)百英里的動力。

微型電池研究還需實現(xiàn)什么目標

其實，研發(fā)微型電池的關鍵就2點：小而精。?。撼叽缧?；精：具有足夠的能量密度。

但是，在解決占地大小和儲能的過程中，需要有較高的工藝標準才能達成小而精的效果，比如均勻涂層、生產(chǎn)誤差的最小化、能夠與設備單片集成等。總而言之，微型電池要想得到進一步的應用，還需要完成以下目標：

1.可以穩(wěn)定運行，且具有足夠能量密度的電池

首先是解決錯位問題。像卷海報一樣，要想讓薄膜卷上幾百次而不錯位是很困難的。在這個過程可以用磁力引導，即在電池膜中加入少量鐵磁性材料，并施加磁場，可使卷曲過程的錯位最小化，但是對于電池組來說，這會帶來更厚的厚度，且電池組的機械性能會更加難以預測。

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?shù)牟呗?，解決固態(tài)電解質離子導電性差、界面電阻大以及聚合物電解質氧化穩(wěn)定性低的問題，來實現(xiàn)界面的穩(wěn)定。

2.與設備進行單片集成

發(fā)展微型電池的最終目標是應用到微型計算機上，所以微型電池需要能夠與設備進行單片集成。例如，用“瑞士卷”工藝的電池卷起來后，留下的芯片區(qū)域可用于容納一個緊湊的3D微系統(tǒng)。

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

未來的應用前景（圖片來源：Veer圖庫）

結語

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

而“微型發(fā)電機”雖然可以使用動能、太陽能以及熱能來發(fā)電，但是對使用場景存在限制，比如人體內(nèi)。此外，“微型發(fā)電機”還需要有一定的輸出功率才可以驅動微型計算機。而合適的微型電池就可以很好地解決這個問題，并且可以在能量收集中斷的情況下作為備用電源來提供能量。

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

參考文獻：

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[2]李人茜.微型機器人和微型傳感器需要微型電池——如何做到這一點[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,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：中國科學院長春應用化學研究所