《Nature》:微型电池的设计与未来之路

发布于 2021-01-19 14:17

何为智能尘？

“万物感知、万物互联、万物智能”的智能世界正加速到来，数字技术正在重塑世界。尤其是近年来物联网（Internet of Things,IoT）技术的兴起物联网模块已经进入了人们的日常生活中，例如智能手表，音箱、电视、共享单车等等。随着物联网的进一步发展，未来会出现更多样形态的模块。而智能尘（smart dust）就是其中一种十分重要的形态，可以处理信息和数据并进行无线通信，从而帮助人们感知数字化的世界，进入更多新的应用场景。

图1：单个智能尘器件的数量级©iStock

智能尘的概念是无线传感器网络（wireless sensor network）的自然延伸，最早由UC Berkeley的Kris Pister在本世纪初提出。 “智能尘”，顾名思义，是一种把智能物联网模组做到微尘一样的技术。而“微尘”的意思，一是表示尺寸特别小，不到一毫米，厚度为几百微米；二是表示无处不在，用途十分广泛，从医学诊断、手术和脑部检测到跟踪蝴蝶和农作物状况，都有它们的身影。随着智能物联网时代的到来，智能尘在我们生活中也日益普及，比如说我们生活中常见的汽车遥控钥匙、微型机器人等等。而这些智能感应设备离不开更加出色的电池产品加持。

图2：美国康奈尔大学研发的由激光驱动的微型机器人。来源DOI: 10.1038/s41586-020-2626-9

如何给智能尘提供能量？

智能尘微型电子设备有了，但是如何给它们供电呢？

可能很多人第一反应是电池。确实，电池是迄今为止使用最多的储能器件，小到一个耳机，大到电动汽车，都可以由电池提供能量。然而，目前最小的电池面积约为2平方毫米，是智能除尘芯片面积的几倍，且不足以持续驱动设备的复杂功能。因此，智能除尘芯片依靠外部电源，例如太阳能，光能。但是，这些能量往往不是持续稳定的，比如在晚上或大雾天就不起作用。

有人可能会说，把电池缩小不就行了吗？是的，微型电池是未来的趋势。然而，由于加工方式的不同，制造微型设备的微电子技术和制造电池的电化学技术之间存在难以逾越的鸿沟。不同的加工方式导致了材料的不兼容性，很多高性能的电池材料都没法轻易地做到片上加工，需要从根本上重新设计。更别说将微型电池内置于电子设备和电路中，还可能会带来的交叉污染以及热/电性能不匹配等问题。

鉴于此，德国莱布尼兹固体与材料研究所朱旻棽博士和德国国家科学院士Prof. OliverG. Schmidt在《Nature》上发表评论文章，呼吁电气工程师、电池和材料科学家更加紧密地合作，建立跨学科团队通力合作以克服这些问题。文章中，作者还呼吁资助者和大学对更多的科学家进行专业的技术培训，使其具备构建下一代微技术所需的跨学科研究技能。

微型电池的未来之路在哪？

作者指出，微型电池在以下两个领域都需要进步：能量密集、耐用的材料以改善电荷存储，以及精巧的架构来缩小和组合组件。

在片上，电池的基本形态是大家所熟知的三明治结构。虽然每层可以通过微纳加工准确地控制尺寸并沉积到片上的指定位置，但是厚度不能太厚，否则会引发裂纹和其他缺陷等问题。而电池的能量密度和活性电极材料的质量息息相关，决定了电池的电荷存储能力以及其复杂高耗能的功能。例如，面积为2平方毫米，厚度为150微米的薄膜电池可以为一个简单的温度传感器供电2天，但是它无法提供一个小时的数据传输能力。目前最薄的电池由于太大且脆弱而不能运行智能尘设备。

那么，怎么在变小的同时保持高能量密度？

一、加厚电极，并增加导电通道？通过直接加厚电极，可以大幅提高电池的储能，但是会导致缓慢的电荷转移。而通过在厚电极中增加导电通路，创造电子高速公路可以在一定程度上解决这个问题。但是，这种方法尚未在毫米级别的电池上得到验证。如何准确地创造导电通路很困难，电极材料产生裂纹也仍然是一个问题。

二、堆叠数个薄电极？这样可以使电荷干净利落地流动。然而可靠地沉积多层电池组件本身就很难，更不用说保持它们对齐了。例如，退火一个电极层所需的高温可能破坏下面的另一个电极层。有些材料不能很好地放在其他材料之上。随着堆栈的建立，不匹配问题也会增加，甚至缺陷可能会导致间距较近的电极之间发生短路。

三，重新设计集流体？通过增大电极面积的方法来实现高负载和快速的电荷转移，从而提高了输出功率的效率。例如采用成熟的硅片刻蚀方法可以直接实现3D电极设计。虽然增大长径比可以进一步提高储能能力，但是又高又瘦的电极柱提高了均匀的材料沉积的难度。更别说还要加上如涂覆电极材料等其他步骤，极其繁琐且尚未在微米尺度上实现。

四、折叠或卷曲电池？增长卷曲或者折叠的距离可以增大单位面积/体积的能量，进一步提高性能。在微纳尺度上，应力自组装提供了解决方案：从薄膜到三维结构，可以最大程度上利用已经成熟的片上薄膜电池的加工方式，同时将最终的产品缩小到所需的尺寸上。

然而，就像我们手动卷一张纸，随着圈数越来越多，都很难避免对不齐的情况出现。同样，要把薄膜卷上几百次而对齐所有层和组件、不让它们偏离方向是很困难的。一个简便的方式就是通过磁场矫正薄膜的卷曲行为，即将少量铁磁性材料掺入电池膜中并施加磁场可使卷曲过程保持对齐。

图3：如何在较小的空间中存储更多电荷的四种方法。

电极材料的设计

除了电池结构的创新，微型电池的电极材料也需要重新设计，以适应片上加工策略。比如说，如何通过微纳加工将电极材料准确地变成相应结构，如何将薄膜制作得尽可能薄，以辅助微折叠并增强电荷存储。

而片上加工要么不适应高温，要么不能使用过于苛刻的化学合成，这都极大限制了电极材料的选用。对于电解液来说，挑战更大。液态电解液几乎不能在片上系统中使用。固态电解质是一种解决方案，但是其在宏观尺度上尚未被优化到最佳，转移到微纳尺度上，往往性能还会进一步损失。而且，如何在后续的微纳加工过程（溶剂中lift-off，真空沉积）保持良好的性能也还需要研究与优化。

归根结底，开发一个高性能、片上集成的微型电池不仅仅需要优化电极结构，还需要新颖的由器件需求出发又回到器件的材料设计。而这就离不开电气工程和先进材料领域科学家们的跨学科合作。只有将两者的经验紧密结合，才能设计出智能尘电子设备所需要的电池，从而最终实现一个万物互联、万物智能的世界。

作者简介

朱旻棽博士，2017年毕业于香港城市大学，2018年担任莱布尼茨固体与材料研究所研究员，德国国家科学院院士Prof. Oliver G. Schmidt组微米级别储能器件研究方向的Group Leader。H-index 41(google scholar), 已发表SCI文章65篇，其中9篇一作，9篇通讯作者，包括EES, AM, AEM, AFM, Nano Energy等国际知名期刊。目前独立主持一项德国自然科学基金Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)。

Prof. Oliver G. Schmidt，德国国家科学院士；德国最高科研奖-莱布尼兹奖获得者；现任德累斯顿莱布尼兹固态和材料研究所的集成纳米科学研究所所长。研究方向是物理学，化学，材料科学，电子学和微系统工程。Prof. Oliver G. Schmidt是卷式纳米管领域的先驱，相关文章引用次数高达4万余次；H-index 103；工作发表于Nature；Nature Mater.；Nature Phys.；J. Am. Chem. Soc; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Nano lett. 等一系列著名期刊。

参考文献：

Minshen Zhu et al. Tiny robots and sensors need tiny batteries — here’show to do it. Nature 2021.https://www.nature.com/articles/d41586-021-00021-2

来源：高分子科学前沿

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