大数据文摘作品

作者：Mickey

计算机正在变得越来越小。从手机到可穿戴传感器，它们需要的计算机都在呈现小型化趋势。对于一些特殊的设备，例如需要进入人体内的生物相容性传感器系统，需要的计算机在体积上甚至比灰尘更小。

与此对应，给这些微型计算机供电的电池，需要更精细的技术，也面临着更大的难题：生产随时随地运行的片上电源，以及可集成的微电池。

在最新一期《先进能源材料》中，开姆尼茨理工大学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：如何在亚毫米级实现电池供电的智能应用，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。

研究团队称，该结果显示出亚平方毫米级的储能性能令人激动，这项技术仍有巨大的优化潜力。

论文的作者是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，以及自 2022 年 2 月起在 MAIN 研究中心 Schmidt 教授团队工作的Minshen Zhu、来自德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所 (IFW) 和中科院长春应用化学研究所的研究员们。

超越小型计算机的极限

贝尔定律预测，大约每十年，计算机的小型化设计会有一个新的突破。回顾计算机的发展史，在 1960 年代，一台计算机需要占据整个房间;1970 年代，计算机引入了小型工作站设计，并继续缩小尺寸，并且演变为人们每天使用的便携式计算机。到今天，智能手机和各类传感器的发展对计算机的尺寸提出了更高的要求;预计十年内，计算机可以缩小到 1 立方毫米以内，从而能够“走进”万物内部，发展普适计算。

事实上，在 2013 年，计算机尺寸已缩小到 1 立方毫米，它是通过将灰尘大小的芯片(包括中央处理单元、存储器、电源管理电路和定时器 )堆叠成一个矩形堆叠而成的。最终用户可以通过添加应用层(例如温度传感器)来创建传感器系统。

虽然这些实验室级别的演示展示了普适计算的未来，但只有依靠能源自主运行，这类微型计算机才能随时随地可用，才能成为一类新的计算平台。而这都需要在微型电池领域的持续探索。

为运行微型亚毫米级计算机提供电力一般有两种方式：开发适当的电池，或者寻找某种自发电方式。以后者为例，微型热电发电机可以将热量转化为电能，但它们也存在自己的问题，输出功率太低，无法驱动“灰尘”芯片;机械振动和在小芯片上将光转化为电能的小型光伏电池也很有前景。不过，光线和振动并非在所有时间和所有地方都可用，比如在人体中，这两类供电模式都不能使用。

在这种情况下，我们只能使用第一类电力提供方式——依赖强大的微型电池来提供电能。

然而，微型电池的生产与日常电池截然不同。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，但占地面积会比较大，肯定会超过一平方毫米，无法应用在微型电池生产上。

解决微型电池的生产，得走另一条路。

缩小特斯拉电池技术：Swiss-roll 工艺为尘埃大小的计算机提供片上电池

Schmidt教授、Zhu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。

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。事实上在特斯拉，也大规模使用类似的工艺来制造其电动汽车的电池。

论文显示，研究人员使用类似“瑞士卷(Swiss-roll)”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。该方法与比较成熟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。

使用这种方法，该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约十小时的可充电微型电池，这在物联网、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都具有巨大潜力。

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