世界上最小的电池比一粒盐还小，可以在一个晶圆表面上大量生产。c redit:TU Chemnitz/Leibniz IFW Dresden电脑变得越来越小，就像目前的手机提供的计算能力类似于笔记本电脑。小型化的趋势还在继续。智能灰尘应用(微型微电子设备)，如人体内的生物相容性传感器系统，要求计算机和电池比灰尘颗粒更小。到目前为止，这种发展受到两个主要因素的阻碍:缺乏随时随地工作的片上电源和生产可集成微电池的困难。在最新一期的《先进能源材料》中，开姆尼茨理工大学纳米电子学材料系统教授兼纳米膜材料、结构和集成中心(MAIN)科学主任Oliver G. Schmidt博士教授、自2022年2月以来一直在MAIN研究中心Schmidt教授团队工作的Zhu博士，以及来自莱布尼茨固态和材料研究所(IFW) Dresden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。他们讨论了如何在亚毫米级实现电池供电的智能灰尘应用，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。
“我们的结果显示了在亚平方毫米尺度上令人鼓舞的储能性能，”沈敏·朱博士说，Oliver Schmidt教授补充说:“这项技术仍有巨大的优化潜力，我们可以预计未来会有更强的微电池。”
超越小型化的极限
运行微型亚毫米级计算机的动力可以通过开发合适的电池或“收获”发电方法来提供。
在“收获”领域，例如，微型热电发电机将热能转化为电能，但其输出功率太低，无法驱动灰尘大小的芯片。机械振动是为微型设备提供动力的另一种能源。在小芯片上将光转化为电能的小型光伏电池也很有前景。
然而，光和振动并不是在所有时间和所有地方都可用的，这使得在许多环境中按需操作是不可能的。例如，在人体中，微小的传感器和致动器需要连续的电源，情况也是如此。强大的微型电池可以解决这个问题。
然而，微型电池的生产与日常生活中的电池截然不同。例如，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)被加工成浆料并涂覆到金属箔上。使用这种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，但占地面积远远超过1平方毫米。
缩小特斯拉技术:瑞士辊工艺使微尘大小的计算机芯片电池成为可能
堆叠薄膜、电极柱或交叉微电极用于片上电池制造。然而，这些设计经常受到劣质能量存储的困扰，并且这些电池的占地面积不能显著减少到一平方毫米以下。因此，施密特教授、朱博士和他们的团队成员的目标是设计一种电池，其直径大大小于1平方毫米，可集成在芯片上，但最低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集电器和电极带——特斯拉也在大规模生产电动汽车电池时使用了类似的工艺。
研究人员使用所谓的“瑞士卷”或“微型折纸”工艺。通过在晶片表面上连续涂覆聚合物、金属和介电材料的薄层，产生具有固有张力的分层系统。机械张力是通过剥离薄层来释放的，然后薄层会自动卷回，形成一个瑞士卷结构。因此，不需要外力来产生这种自动卷绕的圆柱形微型电池。该方法与已建立的芯片制造技术兼容，并且能够在晶片表面上生产高通过量的微电池。
利用这种方法，研究小组已经生产出了可充电的微型电池，可以为世界上最小的计算机芯片供电大约10个小时——例如，连续测量当地的环境温度。一种微型电池，在物联网、小型化医疗植入物、微型机器人系统和超柔性电子设备等领域的未来微电子传感器和致动器技术方面具有巨大潜力。
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