用卷瑞士卷的方式,科学家研发了全球最小的电池

在二十世纪计算机刚出现的时候,还需要很大的房间才能容纳。几十年过去了,计算机的尺寸一直在缩小,曾经的庞然大物如今已经被装进了各式便携的电子产品中。但科技要发展,还需要它们变得更小。

▲图片来自:Wiley Online Library

开姆尼茨理工大学的科学家们不久前成功研发了目前全球最小的电池,只有灰尘大小,实现这项技术的灵感却与一种常见的食物有关——瑞士卷。

▲微电池与一粒盐的体积对比,图片来自:cnBeta

其实在几年前就已经出现了体积仅为 0.04 立方毫米的计算机,但只能在实验室里进行演示。然而,微电池和微电子之间的尺寸不匹配,成为阻碍随时随地需要电源的微型智能系统发展的根本障碍,现有技术无法在保持足够能量存储的同时缩小电池的占地面积。

因此,想让灰尘大小的计算机实现永久运行,关键是开发亚毫米级能量收集器和存储设备。开姆尼茨理工大学的研究人员模仿圆柱电池的制造,采用了一种自组装工艺,将堆叠的薄膜以瑞士卷的结构进行缠绕,以减少占地面积。

在宏观世界里,提升占地面积容量的有效方法是将扁平电池绕成瑞士卷状。特斯拉的电动汽车,就是把电池的占地面积容量增加了约 28 倍,将 18650 个电池组装成一个电池组用以提供动力。

但要通过微细加工工艺在芯片上实现这种瑞士卷设计却并不容易,因为在芯片上用外力缠绕薄而脆的层既不能作为大规模生产工艺,也达不到足够的精确度来实现高产量和可重复性。

因此,研究人员通过一种自组装的方式,将二维纳米层折叠或卷成微型结构将薄膜堆叠转换成「微型瑞士卷」,这也在一定程度上解决了小尺寸面积和高能量密度很难兼顾的问题。

研究人员提到,这种微电池应该能够与其他设备进行单片集成。比如,在光传感器上就可以用上这种「瑞士卷微电池」,在电池卷起后,可用的芯片面积可容纳完全集成的 3D 微系统,Swiss-roll Zn-Ag 微型电池就这样连接到光传感器。

另外,决定这些尘埃大小的电池能否最终集成到微系统中,核心参数是它们可达到的能量密度。研究人员认为微型电池更实际的用途是在能量收集中断的情况下提供能量作为备用电源。这样一来就需要提供至少几个小时的能量。因此,它们每平方厘米的最小能量密度要达到 100 微瓦时( μWh )。

按照研究人员的设想,微电池适合最终集成到带有电路的微小芯片中,这些芯片可用于人体生物兼容传感器,比如检测手术后的恢复与器官的情况。

▲研究人员,左:朱敏申,右:Oliver G. Schmidt ,图片来自:cnBeta

领导这项研究的 Oliver G. Schmidt 教授表示:「这项技术仍有巨大的优化潜力,我们可以期待未来有更强大的微型电池。」

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