直径和一粒灰尘差不多,却能给微型计算机芯片供电 10 小时

没错,这就是目前世界上最小的电池,体积比盐粒还要小。但不要低估了这个“小家伙”。它的出现,可以说是为微型电子设备供电难的问题打开了一个新出口。

要知道,现在世界上最小的计算机已经可以缩小到 1 立方毫米以内,应用前景非常广泛,比如放置微型传感器到人体内检测氧气水平、查看术后恢复情况等等。

但是过去的微型电池要么输出功率不够高,要么对使用环境存在限制,要么做得不够小。而如上提到的这个世界最小电池,能够将这些问题一网打尽。

采用类似于特斯拉电池的卷绕式工艺把电池的最小能量密度提升到每平方厘米 100 微瓦时。目前这项研究成果发表在了《先进能源材料》上,研究团队来自德国开姆尼茨工业大学。

像瑞士卷一样的电池

这次的研究主要有两方面突破。第一是采用类似于瑞士卷的结构设计,以此提升电池能量密度。第二是可以在 1mm² 的芯片上与其他电路集成,也就是片上电源。

换句话来说,就是要在够小的同时,性能还要够精悍。因此,研究人员想到了近两年大火的卷绕式工艺电池。它能够在有限的空间里,容下更多的电池材料。

此前特斯拉电池便采用了类似工艺,让“4680 无极耳电池”实现了 5 倍的电能提升,续航增加 16%,提高到 6 倍功率。这也有别于过去常采用堆叠式、电极柱工艺的微电池,它们都很难将电池大小缩小到 1mm² 以下,而且电池能量密度也不够高。

堆叠式工艺

电极柱工艺

△上图为堆叠式工艺,下图为电极柱工艺

不过,卷绕式工艺在量产上会存在一定困难。因为这种要把晶片材料卷曲起来的办法,对材料的韧性要求会更高。为此,该研究团队将聚合物材料、金属、介电材料层逐一涂抹到晶片表面上,最终制成了一种延展性更强的材料(如下图 a 所示)。

在解决了大小和储能两方面问题后,在微型计算机上上片也就变得不那么困难了。要知道,过去许多微型计算机、传感器的供电,要么采用频繁换电池的方法,要么就是再加一个小型的“发电机”。

这些发电机可以使用动能、太阳能、热能发电,但是对使用场景却存在限制,比如人体内。研究人员认为,他们研制的这种可充电微电池,可以很好解决以上问题。

据介绍,研究团队运用此方法,已经研制出可以为世界上最小的计算机芯片供电 10 小时的微型电池。同时这一技术也可应用在机器人系统、超柔性电子产品中。

通讯作者中两位华人

领导这项研究的是奥利弗・施密特(Oliver G. Schmidt)教授,他是德国开姆尼茨工业大学材料、结构和纳米膜集成研究中心 (MAIN) 的研究主任。

就在不久前他还研发出了世界上最小的微电子导管,可以用于微创手术,对消除血栓、靶向用药具有深远意义。

Minshen Zhu 为本项研究的通讯作者之一,他博士毕业于香港城市大学,目前在奥利弗教授实验室工作。

Minshen Zhu

另一位通讯作者为中科院长春应化所研究员朱峰。他本科毕业于吉林大学物理系,之后于中科院长春应化所高分子物理专业攻读博士。

中科院长春应化所研究员朱峰

论文地址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103641