全球最小的电池，可以给灰尘大小的计算机供电

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。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 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。

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电池作为面向应用的原型。

这次的研究主要有两方面突破。第一是采用类似于瑞士卷的结构设计，以此提升电池能量密度。第二是可以在 1mm² 的芯片上与其他电路集成，也就是片上电源。它采用类似于特斯拉电池的卷绕式工艺，把电池的最小能量密度提升到每平方厘米 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，特斯拉也大规模使用类似工艺来制造其电动汽车的电池。特斯拉“4680 无极耳电池”实现了 5 倍的电能提升，续航增加 16%，提高到 6 倍功率。这也有别于过去常采用堆叠式、电极柱工艺的微电池，它们都很难将电池大小缩小到 1mm² 以下，而且电池能量密度也不够高。

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能量密度的微电池。

不过，卷绕式工艺在量产上会存在一定困难。因为这种要把晶片材料卷曲起来的办法，对材料的韧性要求会更高。为此，该研究团队将聚合物材料、金属、介电材料层逐一涂抹到晶片表面上，最终制成了一种延展性更强的材料（如下图 a 所示）。

在解决了大小和储能两方面问题后，在微型计算机装片上电源也就变得不那么困难了。过去许多微型计算机、传感器的供电，要么采用频繁换电池的方法，要么就是再加一个小型的“发电机”。

使用这种方法，该研究团队已经生产出可以为世界上最小的计算机芯片供电约10小时的可充电微型电池，它可以在物联网、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应用，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。

参考资料：

https://onlinelibrary./doi/10.1002/aenm.202103641

https:///news/2022-02-world-smallest-battery-power-size.html

华人开发世界最小电池，直径细如灰尘，可集成在芯片上供电 10 小时