電池可以小到什麼程度，可以比一粒鹽還小嗎
？科學家給出了肯定答案，在保持完整的電池功能以外，將微型電池的麵積做到了 0.1mm2。

圖丨全球最小的微型電池（來源：開姆尼茨理工大學）

　　近日，開姆尼茨理工大學
、德累斯頓萊布尼茨固體與材料研究所、中國科學院長春應用化學研究所團隊成功研發全球最小電池，預計可給微型計算機芯片 10 小時的供電支持，並展現出亞毫米級的電池的應用價值。

圖丨相關論文（來源：Advanced Energy Materials）

　　2 月 9 日，相關論文以《用於粉塵大小計算機的片上電池》（On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers）為題發表在 Advanced Energy Materials[1]。該論文第一作者是開姆尼茨理工大學博士生李陽、朱旻棽研究員，通訊作者為朱旻棽研究員
、朱峰研究員、奧利弗·G·施密特（Oliver G. Schmidt）院士。

圖丨該論文通訊作者兼第一作者朱旻棽（左）、通訊作者奧利弗·G·施密特（Oliver G. Schmidt）（來源：開姆尼茨理工大學）

　　隨著計算機、移動設備
、可穿戴傳感器等技術的發展，小型智能器件在人們的日常生活中越來越常見。然而
，它們的微型化發展卻受阻於設備與電池的尺寸、性能“不搭”及持久供電問題。

　　從尺寸來看，當電子設備越來越小

，片上電源（微型電池）的de高gao能neng儲chu存cun與yu麵mian積ji縮suo小xiao的de不bu協xie同tong的de矛mao盾dun就jiu越yue發fa明ming顯xian。從cong供gong電dian方fang式shi來lai看kan，太tai陽yang能neng供gong電dian也ye許xu是shi一yi種zhong解jie決jue方fang案an，但dan是shi同tong時shi它ta也ye受shou到dao環huan境jing及ji收shou集ji方fang法fa的de限xian製zhi。因yin此ci，如ru何he更geng穩wen定ding
、持續地供電，並將微型電池的麵積縮小到 1mm2 以下，成為科學家關注的重點。在以往的研究中

，片上電池的極限小型化程度大約占地 1mm2 左右，性能在 1mAh/cm2 左右[2]。發表在 Advanced Materials 的相關論文顯示，研究人員用 3D 打印的方法，可實現厚度上的優勢
，從進而帶來良好的儲能性能。但這種方法受限於工藝，難以實現 1mm2 以內的發展。

圖丨特斯拉汽車電池設計與微型電池工藝對比（Advanced Energy Materials）

　　而該團隊想研發一種小於 1mm2、能在芯片集成的電池 
，其最小能量密度為 100μWh/cm2。

　　為wei達da到dao預yu期qi效xiao果guo，該gai團tuan隊dui在zai微wei尺chi度du使shi用yong了le一yi種zhong與yu特te斯si拉la電dian動dong汽qi車che應ying用yong相xiang似si的de電dian池chi工gong藝yi，利li用yong應ying力li自zi組zu裝zhuang他ta們men將jiang集ji電dian器qi和he電dian極ji條tiao進jin行xing纏chan繞rao。通tong過guo該gai工gong藝yi，他ta們men取qu得de了le令ling人ren矚zhu目mu的de實shi驗yan結jie果guo——預計能給微型計算機芯片 10 小時的電力支持。

　　該團隊希望實現“永不停機”的供電，而實現這種運行的關鍵在於開發亞毫米級能量收集器和存儲設備。

　　butongdepianshangfadianfangshikeyiqudongweixingyahaomijijisuanjideyunxing。raner，weixingredianfadianjidewentishi
，youyushuchugonglvguodi，zhijiedaozhihuichendaxiaodexinpianbunengqudong。jixiezhendongyekezuoweigongdiannengyuan。yutaiyangnenggongdianleisi
，zhezhongfangfashouhuanjing
、時間等限製
，無法滿足隨時供電。

圖丨采用微型折紙技術構建的片上瑞士卷電池（來源：Advanced Energy Materials）

　　該團隊創新地設計了一種“內卷”式新方法來製備微型電池結構，他們將電池薄膜像“瑞士卷”蛋糕那樣卷成圓柱形
，並成功地將這種電池結構在微尺度和片上實現。

　　通常，隻需要一個卷繞機就可以將薄膜做成“瑞士卷”的電池結構。但是
，在微尺度和片上，沒有可以使用的輔助設備。

　　而該團隊使用芯片的應力自組裝過程
，實現了同樣的結構。朱旻棽表示，“通過這種自組裝的方式
，很容易實現 1mm2
，甚至 0.1mm2 以內的微型電池，同時，其加工過程以相對成熟的片上薄膜加工方式，適合擴大製備規模。”

圖丨在芯片上堆疊薄膜（來源：Advanced Energy Materials）

　　自組裝也就意味著，其組裝機械力靠其自身而不依賴外力。具體來說，利用機械力釋放
，再自動彈回變為“瑞士卷”結構。這種方法可直接用於現有的芯片生產工藝，並且
，還能晶圓級生產高能量微電池。

　　從(cong)本(ben)質(zhi)上(shang)來(lai)說(shuo)
，該(gai)團(tuan)隊(dui)將(jiang)一(yi)個(ge)幾(ji)個(ge)平(ping)方(fang)毫(hao)米(mi)的(de)薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)通(tong)過(guo)自(zi)組(zu)裝(zhuang)形(xing)變(bian)的(de)方(fang)式(shi)極(ji)大(da)縮(suo)小(xiao)了(le)麵(mian)積(ji)

，因(yin)此(ci)，這(zhe)種(zhong)微(wei)型(xing)電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)在(zai)很(hen)小(xiao)的(de)占(zhan)地(di)麵(mian)積(ji)上(shang)擁(yong)有(you)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)。

　　圖丨亞毫米級微型電池，電池以各種結構實現能量和功率密度的基準值（來源：Advanced Energy Materials）以密歇根州立大學開發的最小的電腦為例，其大小隻有約 0.1mm2，在(zai)這(zhe)個(ge)尺(chi)度(du)下(xia)，現(xian)有(you)的(de)電(dian)池(chi)無(wu)法(fa)實(shi)現(xian)集(ji)成(cheng)。因(yin)此(ci)，這(zhe)樣(yang)的(de)微(wei)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)隻(zhi)能(neng)依(yi)賴(lai)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)。然(ran)而(er)，太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)麵(mian)臨(lin)無(wu)法(fa)全(quan)天(tian)候(hou)工(gong)作(zuo)的(de)問(wen)題(ti)。

　　朱旻棽認為，如果能加入這種微型電池，保障在太陽能電池無法工作的時候的“補充”供電，將極大地擴展其應用場景。

　　對(dui)於(yu)植(zhi)入(ru)式(shi)生(sheng)物(wu)器(qi)件(jian)來(lai)說(shuo)

，現(xian)在(zai)通(tong)常(chang)依(yi)賴(lai)於(yu)獲(huo)取(qu)超(chao)聲(sheng)能(neng)量(liang)
，植(zhi)入(ru)的(de)深(shen)度(du)以(yi)及(ji)區(qu)域(yu)受(shou)限(xian)
，隨(sui)著(zhe)微(wei)型(xing)電(dian)池(chi)的(de)可(ke)集(ji)成(cheng)，將(jiang)有(you)望(wang)極(ji)大(da)地(di)提(ti)高(gao)植(zhi)入(ru)式(shi)設(she)備(bei)的(de)工(gong)作(zuo)範(fan)圍(wei)。

　　這種微型電池在亞平方毫米尺度上的儲能性能讓人們看到了新方向
，其潛在應用場景包括物聯網、植入式生物器件

、微型機器人係統和超柔性電子產品等領域。

　　據悉，以微型電池現有技術可以支撐一些簡單的電子功能的集成
，但是受限於能量密度，還不能應用於一些高耗能的電子係統中。

　　目(mu)前(qian)，該(gai)團(tuan)隊(dui)正(zheng)在(zai)申(shen)請(qing)相(xiang)關(guan)技(ji)術(shu)專(zhuan)利(li)，並(bing)與(yu)一(yi)些(xie)公(gong)司(si)接(jie)洽(qia)合(he)作(zuo)事(shi)宜(yi)。談(tan)及(ji)該(gai)技(ji)術(shu)的(de)未(wei)來(lai)發(fa)展(zhan)
，朱(zhu)旻(旻)棽(棽)表(biao)示(shi)，該(gai)團(tuan)隊(dui)將(jiang)繼(ji)續(xu)完(wan)善(shan)微(wei)尺(chi)度(du)的(de)片(pian)上(shang)電(dian)池(chi)，同(tong)時(shi)考(kao)慮(lv)智(zhi)能(neng)微(wei)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)率(lv)要(yao)求(qiu)和(he)單(dan)片(pian)集(ji)成(cheng)的(de)可(ke)行(xing)性(xing)，使(shi)其(qi)真(zhen)正(zheng)地(di)集(ji)成(cheng)到(dao)微(wei)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)。“我們的目標是 5 年內實現最小 4 英寸晶圓規模的製備
，同時將麵能量密度提高到 10mWh/cm2 上。”他說。