隨著科技的發展，計算機的體型變得越來越小。那些尺寸在1立方毫米以內的微型計算機甚至可以作為微型傳感器放置到人體內檢測氧氣水平、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提出了更高的挑戰。不過，科學家們近日研發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）。

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，使電荷更有規則地流動。但是需要防止層狀結構分層和缺陷的產生，而且蝕刻過程也要避免上層的工藝對下層的材料產生破壞。

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，該方法與現有芯片制造技術相兼容，能夠在晶圓表面生產高通量微型電池。目前這項研究成果發表在了《先進能源材料》上，研究團隊來自德國開姆尼茨工業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建具有張力的分層系統，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小；第二是該方法與已有的芯片制造技術兼容，并能夠在晶圓表面生產高通量微電池。

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百英里的動力。

微型電池研究還需實現什么目標

其實，研發微型電池的關鍵就2點：小而精。小：尺寸小；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。

其次還要保證循環穩定性。循環穩定性是所有電池的核心挑戰之一，大多數微型電池的可循環次數不到100次。需要在微尺度上采取適當的策略，解決固態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定性低的問題，來實現界面的穩定。

2.與設備進行單片集成

發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，留下的芯片區域可用于容納一個緊湊的3D微系統。

決定微型電池能否最終應用到微系統中的核心參數是可用的能量。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供電。通過微型電池或“微型發電機”的添置，可以為毫米級微型計算機的運行提供電力。

而“微型發電機”雖然可以使用動能、太陽能以及熱能來發電，但是對使用場景存在限制，比如人體內。此外，“微型發電機”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網、微型醫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行器內，或是機器人系統、超柔性電子產品中。

參考文獻：

[1]Yang Li,Minshen Zhu,Vineeth Kumar Bandari,Dmitriy D.Karnaushenko,Daniil Karnaushenko,Feng Zhu,Oliver G.Schmidt.On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers.Advanced Energy Materials,doi:10.1002/aenm.202103641(2022).

[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