大數(shù)據(jù)文摘作品

作者：Mickey

計(jì)算機(jī)正在變得越來越小。從手機(jī)到可穿戴傳感器，它們需要的計(jì)算機(jī)都在呈現(xiàn)小型化趨勢(shì)。對(duì)于一些特殊的設(shè)備，例如需要進(jìn)入人體內(nèi)的生物相容性傳感器系統(tǒng)，需要的計(jì)算機(jī)在體積上甚至比灰塵更小。

與此對(duì)應(yīng)，給這些微型計(jì)算機(jī)供電的電池，需要更精細(xì)的技術(shù)，也面臨著更大的難題：生產(chǎn)隨時(shí)隨地運(yùn)行的片上電源，以及可集成的微電池。

在最新一期《先進(jìn)能源材料》中，開姆尼茨理工大學(xué)和長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的研究人員提出了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的解決方案：如何在亞毫米級(jí)實(shí)現(xiàn)電池供電的智能應(yīng)用，并展示了迄今為止世界上最小的電池作為面向應(yīng)用的原型。

研究團(tuán)隊(duì)稱，該結(jié)果顯示出亞平方毫米級(jí)的儲(chǔ)能性能令人激動(dòng)，這項(xiàng)技術(shù)仍有巨大的優(yōu)化潛力。

論文的作者是開姆尼茨理工大學(xué)納米電子材料系統(tǒng)教授、納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心(MAIN)科學(xué)主任 Oliver G. Schmidt，以及自 2022 年 2 月起在 MAIN 研究中心 Schmidt 教授團(tuán)隊(duì)工作的Minshen Zhu、來自德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所 (IFW) 和中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的研究員們。

超越小型計(jì)算機(jī)的極限

貝爾定律預(yù)測(cè)，大約每十年，計(jì)算機(jī)的小型化設(shè)計(jì)會(huì)有一個(gè)新的突破?；仡櫽?jì)算機(jī)的發(fā)展史，在 1960 年代，一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要占據(jù)整個(gè)房間;1970 年代，計(jì)算機(jī)引入了小型工作站設(shè)計(jì)，并繼續(xù)縮小尺寸，并且演變?yōu)槿藗兠刻焓褂玫谋銛y式計(jì)算機(jī)。到今天，智能手機(jī)和各類傳感器的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)的尺寸提出了更高的要求;預(yù)計(jì)十年內(nèi)，計(jì)算機(jī)可以縮小到 1 立方毫米以內(nèi)，從而能夠“走進(jìn)”萬物內(nèi)部，發(fā)展普適計(jì)算。

事實(shí)上，在 2013 年，計(jì)算機(jī)尺寸已縮小到 1 立方毫米，它是通過將灰塵大小的芯片(包括中央處理單元、存儲(chǔ)器、電源管理電路和定時(shí)器 )堆疊成一個(gè)矩形堆疊而成的。最終用戶可以通過添加應(yīng)用層(例如溫度傳感器)來創(chuàng)建傳感器系統(tǒng)。

雖然這些實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的演示展示了普適計(jì)算的未來，但只有依靠能源自主運(yùn)行，這類微型計(jì)算機(jī)才能隨時(shí)隨地可用，才能成為一類新的計(jì)算平臺(tái)。而這都需要在微型電池領(lǐng)域的持續(xù)探索。

為運(yùn)行微型亞毫米級(jí)計(jì)算機(jī)提供電力一般有兩種方式：開發(fā)適當(dāng)?shù)碾姵?，或者尋找某種自發(fā)電方式。以后者為例，微型熱電發(fā)電機(jī)可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能，但它們也存在自己的問題，輸出功率太低，無法驅(qū)動(dòng)“灰塵”芯片;機(jī)械振動(dòng)和在小芯片上將光轉(zhuǎn)化為電能的小型光伏電池也很有前景。不過，光線和振動(dòng)并非在所有時(shí)間和所有地方都可用，比如在人體中，這兩類供電模式都不能使用。

在這種情況下，我們只能使用第一類電力提供方式——依賴強(qiáng)大的微型電池來提供電能。

然而，微型電池的生產(chǎn)與日常電池截然不同。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(xué)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)生產(chǎn)的片上微電池可以提供良好的能量和功率密度，但占地面積會(huì)比較大，肯定會(huì)超過一平方毫米，無法應(yīng)用在微型電池生產(chǎn)上。

解決微型電池的生產(chǎn)，得走另一條路。

縮小特斯拉電池技術(shù)：Swiss-roll 工藝為塵埃大小的計(jì)算機(jī)提供片上電池

Schmidt教授、Zhu博士和他們的團(tuán)隊(duì)成員的目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)在微尺度上纏繞了集電器和電極條。事實(shí)上在特斯拉，也大規(guī)模使用類似的工藝來制造其電動(dòng)汽車的電池。

論文顯示，研究人員使用類似“瑞士卷(Swiss-roll)”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(xù)涂覆到晶片表面上來創(chuàng)建具有固有張力的分層系統(tǒng)。機(jī)械張力通過剝離薄層來釋放，然后自動(dòng)彈回以卷成“瑞士卷”結(jié)構(gòu)。因此，不需要外力來制造這種自繞式圓柱微型電池。該方法與比較成熟的芯片制造技術(shù)兼容，并且能夠在晶圓表面上生產(chǎn)高產(chǎn)量的微電池。

使用這種方法，該研究小組已經(jīng)生產(chǎn)出可以為世界上最小的計(jì)算機(jī)芯片供電約十小時(shí)的可充電微型電池，這在物聯(lián)網(wǎng)、微型醫(yī)療植入物、微型機(jī)器人系統(tǒng)和超柔性電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的未來微電子和納米電子傳感器和執(zhí)行器技術(shù)方面都具有巨大潛力。

相關(guān)報(bào)道：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103641https://techxplore.com/news/2022-02-world-smallest-battery-power-size.html