大數據文摘作品

作者：Mickey

計算機正在變得越來越小。從手機到可穿戴傳感器，它們需要的計算機都在呈現小型化趨勢。對于一些特殊的設備，例如需要進入人體內的生物相容性傳感器系統，需要的計算機在體積上甚至比灰塵更小。

與此對應，給這些微型計算機供電的電池，需要更精細的技術，也面臨著更大的難題：生產隨時隨地運行的片上電源，以及可集成的微電池。

在最新一期《先進能源材料》中，開姆尼茨理工大學和長春應用化學研究所的研究人員提出了應對這些挑戰的解決方案：如何在亞毫米級實現電池供電的智能應用，并展示了迄今為止世界上最小的電池作為面向應用的原型。

研究團隊稱，該結果顯示出亞平方毫米級的儲能性能令人激動，這項技術仍有巨大的優化潛力。

論文的作者是開姆尼茨理工大學納米電子材料系統教授、納米膜材料、結構和集成中心(MAIN)科學主任 Oliver G. Schmidt，以及自 2022 年 2 月起在 MAIN 研究中心 Schmidt 教授團隊工作的Minshen Zhu、來自德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所 (IFW) 和中科院長春應用化學研究所的研究員們。

超越小型計算機的極限

貝爾定律預測，大約每十年，計算機的小型化設計會有一個新的突破。回顧計算機的發展史，在 1960 年代，一臺計算機需要占據整個房間;1970 年代，計算機引入了小型工作站設計，并繼續縮小尺寸，并且演變為人們每天使用的便攜式計算機。到今天，智能手機和各類傳感器的發展對計算機的尺寸提出了更高的要求;預計十年內，計算機可以縮小到 1 立方毫米以內，從而能夠“走進”萬物內部，發展普適計算。

事實上，在 2013 年，計算機尺寸已縮小到 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、存儲器、電源管理電路和定時器 )堆疊成一個矩形堆疊而成的。最終用戶可以通過添加應用層(例如溫度傳感器)來創建傳感器系統。

雖然這些實驗室級別的演示展示了普適計算的未來，但只有依靠能源自主運行，這類微型計算機才能隨時隨地可用，才能成為一類新的計算平臺。而這都需要在微型電池領域的持續探索。

為運行微型亞毫米級計算機提供電力一般有兩種方式：開發適當的電池，或者尋找某種自發電方式。以后者為例，微型熱電發電機可以將熱量轉化為電能，但它們也存在自己的問題，輸出功率太低，無法驅動“灰塵”芯片;機械振動和在小芯片上將光轉化為電能的小型光伏電池也很有前景。不過，光線和振動并非在所有時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——依賴強大的微型電池來提供電能。

然而，微型電池的生產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。使用此類標準技術生產的片上微電池可以提供良好的能量和功率密度，但占地面積會比較大，肯定會超過一平方毫米，無法應用在微型電池生產上。

解決微型電池的生產，得走另一條路。

縮小特斯拉電池技術：Swiss-roll 工藝為塵埃大小的計算機提供片上電池

Schmidt教授、Zhu博士和他們的團隊成員的目標是設計一種明顯小于 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。

為了實現這一目標，該團隊在微尺度上纏繞了集電器和電極條。事實上在特斯拉，也大規模使用類似的工藝來制造其電動汽車的電池。

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涂覆到晶片表面上來創建具有固有張力的分層系統。機械張力通過剝離薄層來釋放，然后自動彈回以卷成“瑞士卷”結構。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兼容，并且能夠在晶圓表面上生產高產量的微電池。

使用這種方法，該研究小組已經生產出可以為世界上最小的計算機芯片供電約十小時的可充電微型電池，這在物聯網、微型醫療植入物、微型機器人系統和超柔性電子產品等領域的未來微電子和納米電子傳感器和執行器技術方面都具有巨大潛力。

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