微型機器人和微型傳感器需要微型電池
——如何做到這一點

智能微塵即將進入我們的生活，小到一粒鹽的計算機、傳感器和機器人正在研制中，它們可四處移動，探測光、聲、壓力、化學物質和磁場。智能微塵直徑不到1 mm，厚幾百微米，可處理信息并進行無線通信。它們有一系列的用途，從醫學診斷、手術、大腦監測到跟蹤蝴蝶和農作物的狀況等。

但如何給它們供電呢？最小的電池也有2 mm2，比智能微塵芯片大幾倍，且不足以持續驅動復雜功能的設備。因此，智能微塵芯片依賴于外部電源，如太陽能電池板等，但太陽能電池板在晚上或霧天不能工作。

因此電池需要縮小，但很難把所有部件都擠到一個更緊的空間，且還需內置在微型設備中。內置不僅僅是固定，要作出相當于特斯拉將電動汽車電池作為汽車組成部分的努力，當然尺寸要小得多。但無論尺寸大小，制造電池和電子設備的技術是不同的。

緊湊型電池，如鋰電池之類的，是用濕化學方法生產的，如在金屬箔上涂上材料漿。微調材料成分提高性能是有限的。

相比之下，微電子工程師采用蝕刻和沉積等方法對半導體晶片進行蝕刻以實現某些功能，但這些方法不適合電池材料，電池材料需從根本上進行不同的設計。

微型電池需在兩個領域得到改進：電荷儲存能源密集、耐用的材料及壓縮合并組件的結構。

作為微型設備制造的納米科學家，我們親眼目睹了將電化學和微電子結合是多么的困難，因為這些學科是單獨發展的。微電子工程師們努力適應新材料，如活性聚合物等，將它們融入到工藝中，而交叉污染和不匹配的熱電性能是常見的問題。與此同時，電池和材料科學家只滿足于根據一個參數優化材料，而不考慮其在設備和電路中的應用。這就是為什么我們在實驗室里建立了一個跨學科的團隊。

在此，我們呼吁電氣工程師、電池科學家和高分子科學家更緊密地合作，以解決這些問題。我們強調重新設計電池結構、材料和制造方法，我們還呼吁資助者和大學培養更多的，具有跨學科技能的科學家，使他們具備下一代微技術所需的技能。

四個辦法

電池本質上是一個多層的三明治。兩個電極以化學能形式儲存電能，在兩極之間，電解質引導電荷流動，再由電極上的兩個金屬集電器將電引到外部電路。然而，電極越小，能容納的電荷就越少，且裂紋和其他缺陷也可能阻止電荷的流動，厚厚材料層中的離子和電子的扭曲通道也增加了電阻。

審查該產品的專家這樣評論：“Calyxt公司將其豆油作為‘非轉基因’食品銷售給食品制造商，給出的解釋是，該產品不含有任何外源遺傳物質。”

為避免這些問題，最小的電池都制造得非常薄，故它們的沖擊力不大。它們單位面積的能量密度很低，是1 cm硬幣大小的鋰離子電池1/800左右。面積為2 mm2、厚度為150 um的薄膜電池可為一個簡單的溫度傳感器供電2天，但卻不足以傳輸一個小時的數據量。

可在較小的空間內儲存更多電量的四個辦法：

1）在粗電極上增加導電通道。就像高速公路上涂過漆的車道一樣，嵌入的一排排磁性粒子使電荷移動順暢。然而，該方法還沒有在毫米尺度范圍內得到證實，且很難精確地放置粒子鏈，此外裂縫仍是個問題。

2）將許多薄電池三明治式疊在一起，使電荷有規則地流動。但多層疊加是困難的，更不用說還要對齊。此外，還有退火電極層所需的高溫會破壞下面的電極層、有些材料不能放在其他材料上面、錯配現象也會隨著堆棧的增長而增長、污點可能會導致間距很近的電極發生短路等問題。

3）重新設計電流集電器。把它們做成柱狀而不是薄片，從而使結構變成3D，增加與電極和電解液的接觸面積，提高獲取能源的效率。通過將它們蝕刻到硅晶片上來構建3D精細結構是可行的，但如涂層這些額外的步驟對精度要求極高，這在微觀尺度上還沒有實現。

4）使用“微型折疊法”折疊或卷起電池薄膜層。非毫米尺度的，可手工完成；商用塊狀或圓筒形電池可用折疊機或卷繞機完成；而對毫米尺度的，自組裝是一種方法，即薄膜可通過建立和釋放張力來自卷,該方法已通過夾在金屬之間的微型電容器實現了。但是，就像卷海報一樣，要想讓薄膜卷上幾百次而不錯位是很困難的。磁力引導，即在電池膜中加入少量鐵磁性材料，并施加磁場，可使卷曲過程不錯位，雖然已在電容器上證明了這一點，但電池組更難處理，因它們更厚且機械性能更難預測。

將一塊薄膜電池折疊30次放入一臺0.14 mm2的最小電腦中，估計充電一次至少可供電100天，而應用于智能微塵的設備需要折疊數百次、更強大的電池。

改進材料

微型電池的材料也需改進，以使薄膜盡可能的薄，幫助折疊和提高電荷存儲。鋰離子電池和水鋅電池是目前發展最好的化學產品，但挑戰是如何用與半導體技術兼容的方式制造它們。

在鋰離子電池中，陰極材料（通常是LiMn2O4和LiCoO2等金屬氧化物）可通過蝕刻或去除多余的材料在微型尺度范圍工作。陽極（通常是石墨）和電解液則更難處理，電解液通常由浸泡在基質或分離器中的液態有機化合物制成；雖可制成固體電解質，但陶瓷很薄時會失去導電性，且易碎；聚合物可成形，但如離子蝕刻和光固化過程須通過在分子鏈中建立連接（使易于形成或斷裂）進行微調；其他方法需要拋光，如自旋涂層或在氣相中沉積聚合物電解質；聚合物電解質的導電性也需改善，以與液體電解質競爭。

陽極需要儲存更多的電荷。硅和鋰陽極正在探索中，但需穩定，因硅與鋰發生反應并隨著電池的充電而膨脹，最終將電極粉碎。納米技術可避免這種損傷，如用石墨烯納米片包裹硅，并使用聚合物來適應體積變化。這些解決方案也必須適應到芯片制造上。

金屬鋰薄片制造的陽極壽命也很短。鋰在電池運行時會被剝離，充電后重新生成，但更換過程并不完善，經過數百次循環后陽極會被逐漸磨損。微加工過程需更好地管理鋰，一種方法是避免使用金屬薄片，并在充電過程中有效利用仍在電解液中的離子。這種5 mm2芯片上的電池可循環80次，不過與植入式醫療設備所需的5～25年的壽命要求還相差甚遠。

水性鋅電池也需更好的電極。通常被用來作為陽極的鋅能有效儲存和釋放離子。酸性電解質比一般的堿性電解質更好，但鋅會在酸性電解質中溶解并釋放出氫，故陽極須用防腐層保護，或改變電解液以釋放更少的質子。類似的，陰極（通常由MnO2和V2O5等金屬氧化物制成）也易受酸影響，也需保護層。

微型電池還需在更高電壓下工作，需超過發生水分解反應的2 V的電壓。這個問題需要解決，因為水分解反應會消耗能量。需探索所有攜帶電荷的介電離子（包括H+、Zn2+、Mn2+和OH-）與電極材料相互作用的路徑。基于聚合物的電解質也許可緩沖水分解。

其他化學電池也開始出現，如Mg、Ca、K和Na離子電池，但還不成熟，不足以制造微電池。

下一步

材料和微電子研究者需互相學習。當一種材料在實驗室工作得很好，但在真正設備上卻幾乎沒有這種性能時，是非常令人沮喪的。我們必須到彼此的實驗室，花上幾天時間設計和制作彼此的樣本，了解彼此的挑戰，如聚合物電解液如何承受形成金屬層所需的濕性化學作用的，電池堆特定芯片位置和電池層合成材料也需新的工藝。

材料研討會，如美國材料研究學會、美國化學學會和美國物理學會的研討會，應邀請電子工程師參加有關儲能議題；電子研討會，如半導體技術VLSI國際研討會，應邀請材料科學家分享他們在電池化學方面的最新技術，目的是為微型電池的性能和規范制訂一個聯合的路徑圖。

在機器學習算法的幫助下，計算機建模是必不可少的,優化結構和材料也是實際需求的。材料的任何變化（結晶度、厚度和合成路徑）都會改變薄膜的力學、穩定性，從而改變薄膜的折疊性。為優化每個參數，設計者需做一些煩瑣的工作，需了解電化學和機械性能如何影響自組裝過程的。

需制訂計劃并共享電池、微型設備的可復制的數據。伊利諾伊州儲能研究中心與歐洲電池2030+聯合中心的計劃促進了下一代電池的合作，包括功能、材料和制造。

大學需開設材料化學和微電子技術交叉學科課程，資金應來自這兩個領域。在德國開姆尼斯理工大學，一個教授教授一門稱為微納米技術材料的課程，融合了光子學、電子學、生物技術、微型機器人技術和能量儲存技術，為學生們未來復雜的微系統工程做好準備。

通過這些協同努力，微型電池將在十年內為微型計算鋪平道路。