Компьютеры становятся все меньше и меньше, точно так же, как современные сотовые телефоны предлагают вычислительную мощность, подобную мощности ноутбука. И тенденция к миниатюризации продолжается. Умные пылевые приложения (крошечные микроэлектронные устройства), такие как биосовместимые сенсорные системы в организме, требуют компьютеров и батарей меньшего размера, чем пылинка. Пока этому развитию препятствуют два основных фактора: отсутствие встроенных источников питания для работы в любое время и в любом месте и трудности в производстве интегрируемых микробатарей.
В текущем выпуске Advanced Energy Materials профессор доктор Оливер Г. Шмидт, руководитель кафедры материальных систем наноэлектроники и научный руководитель Центра материалов, архитектур и интеграции наномембран (MAIN) Хемницкого технологического университета, Доктор Миншен Чжу, работающий в группе профессора Шмидта в Исследовательском центре MAIN с февраля 2022 года, и исследователи из Института исследования твердого тела и материалов им. Лейбница (IFW) в Дрездене и Чанчуньского института прикладной химии представляют решение этих проблем. . Они обсуждают, как можно реализовать интеллектуальные пылезащитные приложения с батарейным питанием в субмиллиметровом масштабе, и представляют самую маленькую в мире батарею в качестве прототипа, ориентированного на приложения.
«Наши результаты показывают обнадеживающую производительность накопителей энергии в масштабе менее квадратного миллиметра», — говорит доктор Миншен Чжу, а профессор Оливер Шмидт добавляет: «У этой технологии все еще есть огромный потенциал оптимизации, и мы можем ожидать гораздо более прочных микробатарей. в будущем.»
За пределами миниатюризации
Мощность для запуска крошечных компьютеров субмиллиметрового масштаба может быть обеспечена путем разработки соответствующих батарей или методов «сбора» для производства электроэнергии.
В области «сбора урожая» микротермоэлектрические генераторы, например, преобразуют тепло в электричество, но их выходная мощность слишком мала для работы с пылью. Механические вибрации — еще один источник энергии для питания крошечных устройств. Перспективны также небольшие фотоэлектрические элементы, преобразующие свет в электрическую энергию на небольших чипах.
Однако свет и вибрация доступны не всегда и не везде, что делает работу по запросу невозможной во многих средах. Это также имеет место, например, в человеческом теле, где крошечные датчики и исполнительные механизмы требуют постоянного источника питания. Мощные крошечные батареи решили бы эту проблему.
Однако производство крошечных батареек сильно отличается от их повседневных аналогов. Например, компактные батареи с высокой плотностью энергии, например, таблеточные элементы, производятся с использованием мокрой химии. Электродные материалы и добавки (углеродные материалы и связующие) перерабатываются в суспензию и наносятся на металлическую фольгу. Встроенные микробатареи, произведенные с использованием таких стандартных технологий, могут обеспечить хорошую энергию и удельную мощность, но имеют площадь, значительно превышающую один квадратный миллиметр.
Сокращение технологии Tesla: технология Swiss-roll позволяет использовать встроенные батареи для компьютеров размером с пыль.
Тонкие пленки в виде стопки, столбики электродов или встречно-штыревые микроэлектроды используются для изготовления встроенных аккумуляторов. Однако эти конструкции часто страдают от плохого накопления энергии, и площадь этих батарей не может быть значительно меньше одного квадратного миллиметра. Таким образом, целью профессора Шмидта, доктора Чжу и членов их команды было разработать батарею размером значительно меньше одного квадратного миллиметра, интегрируемую в микросхему, которая по-прежнему имеет минимальную плотность энергии 100 микроватт-часов на квадратный сантиметр.
Чтобы достичь этого, команда намотала токосъемники и электродные ленты в микромасштабе — аналогичный процесс также используется Tesla в крупном масштабе для производства аккумуляторов для своих электромобилей.
Исследователи используют так называемый процесс «швейцарского рулета» или «микро оригами». Слоистая система с собственным напряжением создается путем последовательного нанесения на поверхность пластины тонких слоев полимерных, металлических и диэлектрических материалов. Механическое напряжение снимается за счет отслаивания тонких слоев, которые затем автоматически защелкиваются, чтобы свернуть в архитектуру Swiss-Roll. Таким образом, для создания такой самозакручивающейся цилиндрической микробатареи не требуется никаких внешних сил. Этот метод совместим с установленными технологиями производства микросхем и позволяет производить микробатареи с высокой производительностью на поверхности пластины.
Используя этот метод, исследовательская группа произвела перезаряжаемые микробатареи, которые могут питать самые маленькие в мире компьютерные чипы в течение примерно десяти часов — например, для непрерывного измерения локальной температуры окружающей среды. Крошечная батарея с большим потенциалом для будущей микро- и наноэлектронной сенсорики и исполнительных технологий в таких областях, как Интернет вещей, миниатюрные медицинские имплантаты, системы микророботов и сверхгибкая электроника.
