全球最小面积电池问世 或将应用于植入式生物器件、微型机器人等领域

探索微型电池科技的新边界：比盐粒还要小！

你是否曾想象过电池可以小到何种程度？能否超越一粒盐的大小？科学家们给出了令人惊叹的答案，他们成功地将微型电池的面积缩小到了0.1mm²，打破了我们对电池尺寸的想象。

全球最小的微型电池，由开姆尼茨理工大学、德累斯顿莱布尼茨固体与材料研究所和中国科学院长春应用化学研究所团队共同研发成功。这种微型电池不仅体积小，更能给微型计算机芯片提供长达10小时的供电支持。其应用价值已经展现出亚毫米级的潜力。

这项重大成果于2月9日以《用于粉尘大小计算机的片上电池》为题，发表在Advanced Energy Materials上。该论文的通讯作者包括朱旻棽研究员、奥利弗·G·施密特（Oliver G. Schmidt）院士等。论文的第一作者则是开姆尼茨理工大学的博士生李阳和朱旻棽研究员。

随着科技的不断进步，小型智能设备在我们的生活中越来越普及。设备的微型化发展却面临着电池尺寸和性能的瓶颈。传统的电池技术在缩小尺寸和提高能量密度方面存在矛盾。当电子设备变得越来越小，片上电源（微型电池）的高能储存与面积缩小的不协同的矛盾就越发明显。太阳能供电虽然环保，但却受到环境和收集方法的限制。如何更稳定、持续地供电，并将微型电池的面积缩小到1mm²以下，成为了科学家们关注的焦点。

过去，科学家们通过3D打印等方法尝试实现电池的小型化，并取得了一些成果。这些方法仍然受到工艺限制，难以实现1mm²以内的发展。而这项新研究为我们展示了电池科技的新可能，对于推动微型智能设备的发展具有重要意义。

文章标题：微型电池技术革新：超越特斯拉，挑战“永不停机”供电

一幅引人瞩目的图片展示了特斯拉汽车电池的设计与微型电池工艺的对比，这是Advanced Energy Materials期刊上的一项研究。该团队追求的是一种革新性的微型电池技术，旨在打破传统能源供应的局限。

他们设想了一种小于1mm²、能够集成在芯片上的电池，其最小能量密度高达100μWh/cm²。为了达到这个目标，他们借鉴了特斯拉电动汽车电池的工艺，并在微尺度上进行了创新应用。他们巧妙地利用应力自组装技术，将集电器和电极条进行精细的缠绕。

这项技术的实验结果令人振奋，预计能为微型计算机芯片提供长达10小时的电力支持。该团队的愿景是实现“永不停机”的供电，而这关键在于开发亚毫米级的能量收集器和存储设备。

为了驱动微型亚毫米级计算机的运行，有多种片上发电方式正在被探索。虽然微型热电发电机是一个潜在的选择，但由于其输出功率过低，无法驱动微小芯片。机械振动供电同样受环境和时间限制，无法满足随时供电的需求。开发高效、可靠的微型电池结构至关重要。

在这个背景下，该团队创新地应用了微型折纸技术，构建了片上“瑞士卷”电池。他们将电池薄膜像制作瑞士卷蛋糕一样卷成圆柱形，在微尺度和片上实现了这种电池结构。通常，这需要精密的卷绕机，但在微尺度和片上，没有适用的设备。该团队巧妙地利用芯片的应力自组装过程，实现了同样的结构。

这种自组装过程允许机械力自主释放，使电池结构自动弹回并变成“瑞士卷”形态。这种创新方法不仅易于实现小于1mm²甚至0.1mm²的微型电池，而且其加工过程基于成熟的片上薄膜加工技术，有利于扩大制备规模。这项研究不仅为微型电池技术的发展开启了新的可能性，也为实现“永不停机”的供电目标迈出了重要的一步。这支研究团队的创新之处在于，他们成功地将微型电池缩小至亚平方毫米级别，这一革新性技术对于现有的芯片生产工艺具有直接应用潜力，并且还能实现晶圆级的生产规模。这一技术显著的特点在于将薄膜电池通过自组装形变方式大幅减小占地面积，从而实现了较高的能量密度。

想象一下最小的电脑，其大小只有约 0.1mm²，在这个微小的尺度上，现有的电池无法完成集成工作。这样的微电子系统只能依赖太阳能电池进行供电。太阳能的局限性在于无法全天候工作。幸运的是，这款微型电池作为一种补充供电方案，可以在太阳能电池无法工作的时候继续提供电力。这一突破为微电子系统，特别是植入式生物器件、微型机器人系统和超柔性电子产品等带来了极大的应用场景扩展可能性。

在植入式生物器件领域，通常依赖于获取超声能量，而植入的深度和区域都受到限制。微型电池的可集成化有望极大地提高植入式设备的工作范围。尽管微型电池技术已经能够支撑一些简单电子功能的集成，但由于能量密度的限制，还不能应用于高耗能的电子系统中。

该团队正致力于完善微尺度的片上电池，并考虑智能微系统的功率要求和单片集成的可行性。他们正在申请相关技术专利，并与多家公司洽谈合作事宜。朱旻棽表示：“我们的目标是五年内实现最小4英寸晶圆规模的制备，同时把面能量密度提升到10mWh/cm²以上。”这一目标的实现将真正使微型电池集成到微电子系统中，为未来的科技发展开辟新的道路。