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世界上最小的电池,比一粒盐还小!

2022-02-22 16:08:22 开姆尼茨理工大学 阅读:
智能微尘是微电子和纳米电子领域最有前途的未来技术之一。在最近出版的《Advanced Energy Materials》中,研究人员讨论了如何在亚毫米级实现电池供电的智能粉尘应用,并展示了迄今为止世界上最小的电池作为面向应用的原型。

计算机变得越来越小,就像当前的手机提供类似于笔记本电脑的计算能力一样。小型化的趋势仍在继续。qJxednc

智能微尘应用(微型微电子设备),例如体内的生物相容性传感器系统,需要比灰尘更小的计算机和电池。qJxednc

智能微尘是微电子和纳米电子领域最有前途的未来技术之一。Smart Dust 预计将承担许多以前无法完成的任务,特别是在使用和监控工业厂房、机器和农业区域以及民防和灾害控制,以及医药和医疗保健方面。特别有远见的是人体的诊断和治疗,例如对器官功能的密切监测的生物相容性传感器系统。qJxednc

到目前为止,这一发展受到两个主要因素的阻碍:缺乏随时随地运行的片上电源以及难以生产可集成微电池。qJxednc

在最近出版的《Advanced Energy Materials》中,开姆尼茨理工大学纳米电子材料系统教授、纳米膜材料、结构和集成中心(MAIN)科学主任 Oliver G. Schmidt 教授,自 2022 年 2 月起在 MAIN 研究中心 Schmidt 教授团队工作的朱敏申博士与来自德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所 (IFW) 和长春应用化学研究所的研究人员提出了应对这些挑战的解决方案。他们讨论了如何在亚毫米级实现电池供电的智能粉尘应用,并展示了迄今为止世界上最小的电池作为面向应用的原型。qJxednc

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世界上最小的电池比一粒盐还小,可以在晶圆表面大量生产。图片来源:TU Chemnitz/Leibniz IFW DresdenqJxednc

“我们的结果显示出令人鼓舞的亚平方毫米级储能性能,”朱敏申博士和 Oliver Schmidt 教授补充道:“这项技术仍有巨大的优化潜力,我们可以期待更强大的微电池将来。”qJxednc

超越小型化的极限

通过开发适当的电池或“收集”方法来发电,可以提供运行微型亚毫米级计算机的电力。qJxednc

例如,在“收集”领域,微型热电发电机将热量转化为电能,但它们的输出功率太低,无法驱动灰尘大小的芯片。机械振动是为微型设备供电的另一种能源。在小芯片上将光转化为电能的小型光伏电池也很有前景。qJxednc

然而,光线和振动并非在所有时间和所有地方都可用,这使得在许多环境中无法按需操作。例如,在人体中也是如此,微型传感器和执行器需要持续供电。强大的微型电池将解决这个问题。qJxednc

然而,微型电池的生产与日常生产的电池截然不同。例如,具有高能量密度的紧凑型电池(例如纽扣电池)是使用湿化学制造的。电极材料和添加剂(碳材料和粘合剂)被加工成浆料并涂在金属箔上。使用此类标准技术生产的片上微电池可以提供良好的能量和功率密度,但占地面积明显超过一平方毫米。qJxednc

缩小特斯拉技术:Swiss-roll 工艺为尘埃大小的计算机提供片上电池

堆叠薄膜、电极柱或叉指微电极用于片上电池制造。然而,这些设计往往会受到能量存储较差的影响,并且这些电池的占地面积不能显着减少到 1 平方毫米以下。因此,施密特教授、朱博士和他们的团队成员的目标是设计一种明显小于 1 平方毫米且可集成在芯片上的电池,其最小能量密度仍为每平方厘米 100 微瓦时。qJxednc

为了实现这一目标,该团队在微尺度上缠绕了集电器和电极条——特斯拉也大规模使用类似的工艺来制造其电动汽车的电池。qJxednc

研究人员使用所谓的“瑞士卷”或“微型折纸”工艺。通过将聚合物、金属和介电材料的薄层连续涂覆到晶片表面上来创建具有固有张力的分层系统。机械张力通过剥离薄层来释放,然后自动弹回以卷成瑞士卷结构。因此,不需要外力来制造这种自绕式圆柱微型电池。该方法与已建立的芯片制造技术兼容,并且能够在晶圆表面上生产高产量的微电池。qJxednc

使用这种方法,研究小组已经生产出可以为世界上最小的计算机芯片供电大约十小时的可充电微电池——例如,连续测量当地环境温度。一种微型电池,在物联网、微型医疗植入物、微型机器人系统和超柔性电子产品等领域的未来微电子和纳米电子传感器和执行器技术方面具有巨大潜力。qJxednc

Demi Xia编译qJxednc

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