用卷瑞士卷的方式,科學家研發了全球最小的電池

愛範兒 於 24/02/2022 發表 收藏文章
在二十世紀計算機剛出現的時候,還需要很大的房間才能容納。幾十年過去了,計算機的尺寸一直在縮小,曾經的龐然大物如今已經被裝進了各式便攜的電子產品中。但科技要發展,還需要它們變得更小。

▲圖片來自:Wiley Online Library

開姆尼茨理工大學的科學家們不久前成功研發了目前全球最小的電池,只有灰塵大小,實現這項技術的靈感卻與一種常見的食物有關——瑞士卷。

▲微電池與一粒鹽的體積對比,圖片來自:cnBeta

其實在幾年前就已經出現了體積僅為 0.04 立方毫米的計算機,但只能在實驗室裏進行演示。然而,微電池和微電子之間的尺寸不匹配,成為阻礙隨時隨地需要電源的微型智能系統發展的根本障礙,現有技術無法在保持足夠能量存儲的同時縮小電池的佔地面積。

因此,想讓灰塵大小的計算機實現永久運行,關鍵是開發亞毫米級能量收集器和存儲設備。開姆尼茨理工大學的研究人員模仿圓柱電池的製造,採用了一種自組裝工藝,將堆疊的薄膜以瑞士卷的結構進行纏繞,以減少佔地面積。

▲圖片來自:Wiley Online Library

在宏觀世界裏,提升佔地面積容量的有效方法是將扁平電池繞成瑞士卷狀。特斯拉的電動汽車,就是把電池的佔地面積容量增加了約 28 倍,將 18650 個電池組裝成一個電池組用以提供動力。

但要通過微細加工工藝在芯片上實現這種瑞士卷設計卻並不容易,因為在芯片上用外力纏繞薄而脆的層既不能作為大規模生產工藝,也達不到足夠的精確度來實現高產量和可重複性。

因此,研究人員通過一種自組裝的方式,將二維納米層摺疊或捲成微型結構將薄膜堆疊轉換成「微型瑞士卷」,這也在一定程度上解決了小尺寸面積和高能量密度很難兼顧的問題。

▲圖片來自:Wiley Online Library

研究人員提到,這種微電池應該能夠與其他設備進行單片集成。比如,在光傳感器上就可以用上這種「瑞士卷微電池」,在電池捲起後,可用的芯片面積可容納完全集成的 3D 微系統,Swiss-roll Zn-Ag 微型電池就這樣連接到光傳感器。

另外,決定這些塵埃大小的電池能否最終集成到微系統中,核心參數是它們可達到的能量密度。研究人員認為微型電池更實際的用途是在能量收集中斷的情況下提供能量作為備用電源。這樣一來就需要提供至少幾個小時的能量。因此,它們每平方釐米的最小能量密度要達到 100 微瓦時(μWh)。

▲圖片來自:Wiley Online Library

按照研究人員的設想,微電池適合最終集成到帶有電路的微小芯片中,這些芯片可用於人體生物兼容傳感器,比如檢測手術後的恢復與器官的情況。

▲研究人員,左:朱敏申,右:Oliver G. Schmidt ,圖片來自:cnBeta

領導這項研究的 Oliver G. Schmidt 教授表示:「這項技術仍有巨大的優化潛力,我們可以期待未來有更強大的微型電池。」



資料來源:愛範兒(ifanr)

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標籤: 瑞士卷  電池  

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