微型機器人需要微型電池，如何才能設(shè)計出更小的電池

大數(shù)據(jù)文摘出品

來源：Nature

編譯：Hippo

只有鹽粒大小的計算機、傳感器和機器人正在開發(fā)中，它們可移動，并能檢測光、聲、壓力、化學(xué)物質(zhì)和磁場。

它們不到1毫米長，只有幾百微米那么厚，可以處理信息并進行無線通信。它們的用途廣泛，從醫(yī)學(xué)診斷、手術(shù)、腦部監(jiān)測到跟蹤蝴蝶和農(nóng)作物狀態(tài)無所不能。

那么如何給它們供電呢？

目前最小的電池面積約為2平方毫米，是“塵?！毙酒臄?shù)倍也，不足以持續(xù)驅(qū)動設(shè)備的復(fù)雜功能。因此，智能“塵?！毙酒话阋揽客獠侩娫?，例如太陽能電池板。但是，這樣它們就無法在晚上或大霧天工作了。

顯然，電池需要縮小。

但是，你很難將所有組件壓縮到更緊湊的空間中。另外，它們還需要內(nèi)置到微型設(shè)備中，這就像特斯拉在使電池成為其電動汽車不可或缺的一部分方面所做的努力，只不過這是在一個更小的維度上。

緊湊型電池（例如鋰離子電池）是使用濕化學(xué)方法生產(chǎn)的，例如，將材料的漿液涂在金屬箔上。調(diào)整材料的成分只能在一定程度上提高性能。

相比之下，微電子工程師使用諸如蝕刻和沉積之類的方法雕刻半導(dǎo)體晶片以實現(xiàn)某些改進。但是，這些方法不適用于電池材料。對于電池來說要想提高需要從根本上重新設(shè)計。

微型電池需要同時在兩個領(lǐng)域取得進步以提高電荷存儲能力，分別是能量密集和耐用性材料，同時還要考慮精巧的架構(gòu)來縮小和組合部件。

我們已經(jīng)真實感受到了將電化學(xué)和微電子技術(shù)結(jié)合起來有多么困難。這些學(xué)科是各自獨立發(fā)展的。微電子工程師努力將新材料（例如活性聚合物）納入其工藝，交叉污染以及熱性能和電子性能不匹配是常見問題。同時，電池和材料科學(xué)家通常對材料某一種參數(shù)的優(yōu)化感到滿意，卻沒有考慮其用于設(shè)備和電路中的實際情況。這就是為什么我們在實驗室中建立了一個跨領(lǐng)域的跨學(xué)科團隊的原因。

電池本質(zhì)上就像一個多層的三明治。

兩個電極將電能以化學(xué)能的方式存儲起來。在兩者之間，電解液在不發(fā)生短路的前提下調(diào)節(jié)電荷的流動。連接電極的兩個金屬集電器將電源引到外部電路。但是，電極越小，它們可以容納的電荷越少。裂紋和其他缺陷可能會阻止電子流動并導(dǎo)致電池故障。油脂材料層中離子和電子的彎曲通道也會增加電阻。

為了避免其中一些問題，最小的電池非常薄，但并不強大。它們的單位面積能量密度很低，大約是一厘米大小的鋰離子紐扣電池的1／800。面積為2平方毫米、厚度為150微米的薄膜電池可以為一個簡單的溫度傳感器供電2天，但無法支撐一個小時的數(shù)據(jù)傳輸。

下圖展示了較小的空間中存儲更多電荷的四種方法。

一是在厚電極上增加導(dǎo)電通道。就像涂了油漆的高速公路車道一樣，嵌入的成排的磁性粒子能使電荷平穩(wěn)移動。但是，這種方法尚未在毫米級的尺度上得到驗證。精確地設(shè)置粒子鏈很困難，而裂縫仍然是一個難題。

二，將許多薄的“電池三明治疊”在一起。這樣可以使電荷干凈利落地流動。但難點是可靠地疊置很多層，更不用說保持它們對齊了。例如，退火一個電極層所需的高溫可能破壞下面的另一個電極層。有些材料不能很好地放在其他材料之上。隨著堆疊的建立，不匹配也會增加。缺陷可能會導(dǎo)致間隔較近的電極之間發(fā)生短路。

第三，重新設(shè)計集電器。將它們構(gòu)建為支柱而不是片材，從而形成三維結(jié)構(gòu)，增加與電極、電解質(zhì)的接觸面積，以此提高吸取功率的效率。例如，通過蝕刻到硅晶片中來構(gòu)建此類精細的三維結(jié)構(gòu)是可行的。但是，將其他步驟（例如涂層電極材料）也包括進來，想用這一技術(shù)組裝整個設(shè)備是極其不可取的。在微尺度上尚未實現(xiàn)。

第四、使用“微型折紙”將薄膜折疊或卷曲。在更大的尺度上，這一工藝用手工就可以做到。在商用塊狀或圓柱狀電池中，使用折疊機或卷繞機完成這一工序。在毫米級尺度，自組裝是另一種實現(xiàn)方法。薄膜可以通過內(nèi)置和釋放張力來卷起。我們的小組使用微型電容器來做到這一點，也就是是夾在金屬之間的電介質(zhì)薄片。但是，就像卷起海報一樣，很難將薄膜纏繞數(shù)百遍而不會錯位。磁性引導(dǎo)的方法可以有些幫助：將少量鐵磁性材料摻入電池膜中并施加磁場可使卷曲過程保持正常。盡管我們已經(jīng)用電容器實現(xiàn)了這一點，但是電池組卻很難處理。它們更厚，機械性能更難預(yù)料。

折疊更具挑戰(zhàn)性。就像對一張紙重復(fù)折疊多次一樣，隨著堆層的逐漸增加彎曲所需的力也隨之提高。合頁會積聚應(yīng)力和裂紋。“自折疊”過程需要考慮所有這些細節(jié)，例如將不同的材料合并到合頁中。但是，對齊所有層和組件仍然很困難。

我們估計，將薄膜電池折疊30次到適合最小計算機（0.14 mm2）的面積，一次充電即可為它供電至少100天。許多智能“塵埃“應(yīng)用將需要功能更強大的電池，這些電池需要折疊數(shù)百次。

微電池還需要材料方面的進步，以便可以將薄膜制作得盡可能薄，以輔助微折紙并增強電荷存儲。鋰離子和水性鋅電池是最成熟的化學(xué)方法。挑戰(zhàn)在于以與半導(dǎo)體技術(shù)兼容的方式制造它們。

在鋰離子電池中，陰極材料（通常是金屬氧化物，例如LiMn2O4和LiCoO2）可以通過蝕刻或剝離多余的材料小規(guī)模得以實現(xiàn)。陽極（通常是石墨）和電解質(zhì)較難處理，電解質(zhì)通常由液態(tài)有機化合物制成，浸入基質(zhì)或隔板中，可以形成固體電解質(zhì)。但是，陶瓷非常薄時會失去導(dǎo)電性，并且很脆。可以對聚合物進行塑形，但是必須對聚合物進行塑形（比如離子蝕刻和光固化），在易于形成或斷裂的分子鏈中建立鏈接來進行微調(diào)。其他方法也需要改進，例如在氣相中旋轉(zhuǎn)鍍膜或沉積聚合物電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)的電導(dǎo)率也需要提高，才能與液體電解質(zhì)競爭。

需要容納更多電荷的陽極。硅和鋰陽極正在研究中。但是它們需要穩(wěn)定下來。硅與鋰發(fā)生反應(yīng)，在電池充電時會發(fā)生膨脹，最終使電極粉碎。納米技術(shù)可以避免這種損壞，例如通過將硅包裹在石墨烯納米片中并使用聚合物來適應(yīng)體積變化。同時，這些解決方案還必須適用于芯片制造。

由金屬鋰條制成的陽極的使用壽命也很短。當(dāng)電池運行并在充電后鋰會被剝離。但是更迭過程并不完美，陽極在數(shù)百個循環(huán)中逐漸磨損。鋰需要在微細加工過程中得到更好的管理。一種方法是避免使用金屬條，并在充電過程中由仍然存在于電解質(zhì)中的離子有效地構(gòu)建鋰電極。這種在5平方毫米芯片上的電池可以循環(huán)充電80次。這距離植入式醫(yī)療設(shè)備所需的5–25年的使用壽命還有很長一段距離。

含水鋅電池也需要更好的電極。用作陽極的鋅可以有效地存儲和釋放離子。酸性電解質(zhì)可以比典型的堿性電解質(zhì)更好。但是鋅溶解在酸中并釋放出氫，因此必須用防腐層保護陽極，或者需要對電解質(zhì)進行改性以釋放更少的質(zhì)子。同樣，陰極（通常由MnO2和V2O5等金屬氧化物制成）易受酸腐蝕，并需要阻擋層。

此類電池還需要在更高的電壓下工作，至少大于2V，這樣會發(fā)生水分解反應(yīng)。由于這一反應(yīng)消耗能量，因此需要克服該問題。需要探索所有涉及帶電電荷的中間離子（包括H +，Zn2 +，Mn2 +和OH-）及其與電極材料的相互作用的途徑。聚合物基電解質(zhì)可能會為水分解提供緩沖。

其他電池化學(xué)方法正在出現(xiàn)，例如使用Mg，Ca，K和Na離子的化學(xué)方法。這些都還不夠成熟，無法制造微型電池。

材料和微電子研究人員需要相互學(xué)習(xí)。當(dāng)一種材料在實驗室中運行良好時但是在真正的設(shè)備中幾乎不能應(yīng)用時，是一件很令人沮喪的事。我們必須走到彼此的實驗室工作臺邊，花幾天時間設(shè)計和制造彼此的原型，并理解彼此的難點。例如，聚合物電解質(zhì)如何承受在其上方對金屬層進行建模所需的濕化學(xué)作用？在電池堆中給定位置和層的晶片芯片上，需要新工藝來合成材料。

諸如美國材料研究學(xué)會、美國化學(xué)學(xué)會和美國物理學(xué)會之類的材料會議應(yīng)該邀請電子工程師參加有關(guān)能量存儲的議程。而諸如VLSI國際研討會等電子會議有關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)的環(huán)節(jié)應(yīng)邀請材料科學(xué)家分享他們在電池化學(xué)方面的最新知識。一個很重要的目的是為提升微電池性能和目標規(guī)范制定聯(lián)合技術(shù)路線圖。

在機器學(xué)習(xí)算法的幫助下，計算機建模必不可少。實驗上要求優(yōu)化結(jié)構(gòu)和材料。材料的任何變化（結(jié)晶度、厚度和合成路線）都會改變薄膜的力學(xué)性能，穩(wěn)定性和折疊性能。需要進行繁瑣的工作來優(yōu)化每個參數(shù)，例如張力或電池化學(xué)成分。設(shè)計人員需要了解電化學(xué)和機械性能如何影響自組裝過程。

需要制定計劃來生成和共享電池和微型設(shè)備的可復(fù)制數(shù)據(jù)。伊利諾伊州能源存儲研究聯(lián)合中心和“歐洲2030+電池計劃”倡議促進了向下一代電池的合作，包括智能應(yīng)用、耐用材料和工業(yè)制造。

大學(xué)需要提供材料化學(xué)和微電子技術(shù)的跨學(xué)科課程。資金應(yīng)同時來自這兩個領(lǐng)域。中國正在朝這個方向迅速發(fā)展。8月，中國教育部設(shè)立了一個跨學(xué)科的學(xué)科，將電子、工程、材料、化學(xué)和物理相結(jié)合，并將其與自然科學(xué)等純學(xué)科相提并論。已投資超過20億美元在全球領(lǐng)先的研究機構(gòu)香港科技大學(xué)在中國廣州建立新校區(qū)。它將遵循中心集成模式。例如，功能中心將融合材料和微電子學(xué)知識，以提高將微型或納米設(shè)備集成到多功能組件中的能力。德國開姆尼茨工業(yè)大學(xué)開設(shè)一門類似的課程，稱為微納米技術(shù)材料學(xué)（materials in micro- and nanotechnologie）。它融合了光子學(xué)、電子學(xué)、生物技術(shù)、微機器人技術(shù)和能量存儲，為學(xué)生為未來的從事復(fù)雜微系統(tǒng)工程做好準備。

通過協(xié)同努力，微型電池將在十年之內(nèi)為無感知計算和普適計算技術(shù)鋪平道路。

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