《比一粒盐还小的电池问世》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2022-02-25
  • 德国开姆尼茨工业大学及中国长春应用化学研究所科学家在《先进能源材料》杂志上撰文称,他们研制出了迄今世界上最小的电池,可为一粒灰尘大小的计算机供电,未来有望在物联网、微型医疗植入物、微型机器人系统和超柔性电子等领域大显身手。

    电子产品一直在朝小型化迈进,小型微电子设备(如植入人体内的传感器系统)需要比一粒灰尘还小的计算机和电池。但迄今为止,缺乏可随时随地运行的电源,以及很难生产可集成的微电池这两大因素阻碍了这一趋势。

    科学家们称,通过开发合适的电池或“采集”发电方法,可以为微小的亚毫米级计算机供电。但目前微型电池的生产方法与普通电池大相径庭,如拥有高能量密度的紧凑型电池(纽扣电池等)使用湿化学方法制造而成,使用这种标准技术生产的微电池可以提供良好的能量和功率密度,但其直径明显超过1平方毫米。

    研究团队的目标是设计一种直径小于1平方毫米、可集成在芯片上的电池,其最小能量密度仍为100微瓦时/平方厘米。为实现这一目标,该团队在微型规模上集成了集电器和电极条——特斯拉也在大规模使用类似工艺制造其电动汽车用电池。

    研究人员使用到了所谓的“瑞士卷”或“微型折纸”工艺。他们在晶圆表面连续涂覆聚合物、金属和介电材料薄层,形成具有内在张力的分层系统。薄层被剥离会释放出机械张力,随后自动弹回去卷成“瑞士卷”。因此,不需要外力就能制造出一个自卷绕圆筒式微型电池。

    利用这种方法,团队制造出可以反复充电的迄今最小的微电池,其比一粒盐还小,能为世界上最小的计算机芯片供电约10个小时。而且,该方法与现有芯片制造技术兼容,能够在晶圆表面生产高通量微型电池。

    研究人员称,这款微型电池有望在物联网、微型医疗植入物等领域大显身手,应用于未来的微纳电子传感器和执行器内。他们表示,这项技术仍有巨大的优化潜力,未来可能会出现更强大的微电池。

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    • 计算机的出现,极大方便了人们的生产生活。从开始问世时几乎塞满整个房间,到如今一个手掌就能轻松掌握,计算机的小型化已成为一种趋势。然而,微电子设备和微型电池之间的尺寸差异,正成为阻碍这一发展趋势的两座“大山”。 前不久,有科研团队宣布研发成功一款比一粒盐还小,能为世界上最小的计算机芯片供电约10个小时的“自卷绕圆筒式微型电池”,同时也是迄今为止世界上最小的电池。 这款电池的设计灵感来自于一种欧洲的传统美食——“瑞士卷”。首先,科学家们透过显微镜,在目标上集成集电器和电极条。接着,正如在蛋糕表面均匀抹上奶油一样,在被当作原料的硅晶片表面连续涂覆聚合物、金属和介电材料薄层,使其形成具有内在张力的分层系统。薄层被剥离会释放出机械张力,随后自动弹回去卷成微电池,其形状跟“瑞士卷”相似。利用这种方法,不需要外力就能制造出可以反复充电的“自卷绕圆筒式微型电池”。 据了解,当前市场上已经出现不少微型智能设备,但由于其使用的电池大都是通过在芯片上堆叠薄膜来存储电能,电量非常有限,受到的限制也很多。随着这些设备进一步小型化、微型化,供电的难度也会随之加大。 过去为了给微型计算机、传感器等设备供电,只能采用频繁换电池的方法,或是在设备上外接一个小型“发电机”。这些发电机可使用动能、太阳能、热能来发电。 研究团队选择将薄膜卷起来,使其存储更多电能,甚至还能反复充电,可为世界上最小的计算机芯片连续供电约10个小时。 尽管当前这款微型电池还不具备市场化条件,但从其性能上分析,它有望在物联网、微型机器人、小型化医疗植入物等领域大显身手,应用于微纳电子传感器和执行器内。研发人员表示,这项技术还有巨大的优化潜力,未来可能会出现更强大的微电池。能源研究是人类发展永恒的话题,微型电池的诸多优势带给人们更多的想象空间,日常生活及科研医疗都将迎来新的发展契机。
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    • 据物理学家组织网8月31日报道,美国科学家研制出了一种更轻便、充电速度更快的电池,可为宇航服甚至火星探测器供电,也可装配于卫星上。研究由美国国家航空航天局(NASA)资助,相关论文发表于近期出版的美国化学会期刊《应用材料与界面》。 研究人员之一、克莱姆森大学科学家拉玛克里斯纳·波迪拉表示:“大多数卫星主要从太阳获取能量,但卫星也必须做到处于地球阴影下时仍能存储能量,因此卫星上配备的电池要尽可能轻,卫星越重,任务成本越高。” 波迪拉团队用硅材料研制出了最新电池。硅可以包裹更多电荷,这意味着更多能量可以存储在较轻的电池中。尽管科学家一直以来都非常重视硅的储电能力,但硅在放电时会分解成较小碎片。鉴于此,波迪拉等人使用微小的硅“纳米”颗粒来替代,这些颗粒可提高稳定性并提供更长的循环寿命。 研究人员先用名为“巴克纸”(Buckypaper)的碳纳米管材料制成一层一层的结构,然后将硅纳米颗粒夹在中间——就像“三明治”一样制造出了新型电池。 波迪拉说,采用这种内部结构,即使硅颗粒破裂,它们也“仍在三明治中”。 研究人员表示:“独立的碳纳米管片使硅纳米粒子彼此之间通过电相互连接。这些纳米管形成了准三维结构,即使经过500次循环,硅纳米粒子也能簇拥在一起,并减轻了由于纳米粒子破裂而产生的电阻。” 使用硅和其他纳米材料制成的电池不仅可以提高容量,还可以更高的电流为电池充电,从而缩短充电时间。由于新电池使用纳米管作为缓冲机制,因此,充电速度比当前快4倍。此外,新电池“体重”轻,充电速度更快,效率大大提高,这对身着由电池供电宇航服的宇航员们来说也更有利。