編輯/大路

智慧微塵（又名智慧塵埃Smart Dust）即將進入我們的生活。正在開發的計算機、感測器和機器人小如一粒鹽，它們可以四處移動，探測光、聲音、壓力、化學物質和磁場。而它們的直徑不到一毫米，厚度只有幾百微米，可以處理資訊並進行無線通訊。這種智慧微塵的用途會非常廣泛，從醫療診斷、外科手術、大腦監測到追蹤蝴蝶和農作物的狀況。

這聽起來是如此的美好，但有一個關鍵的問題：如何為它們供電呢？

目前最小的電池面積約為2平方毫米，也就是會比預期的智慧微塵晶片大好幾倍。而且它的功率並不足以持續供給裝置的複雜功能。智慧微塵晶片或許可以依靠外部電源，比如太陽能電池板。然而，這些又無法在夜間或霧天工作。

電池當然需要縮小，但以目前的技術，很難把所有的元件都擠進如此狹窄的空間。它們還需要被內建到微型裝置中，而不是僅僅用螺栓固定在上面。這相當於特斯拉將電動車電池作為其汽車的一個組成部分，當然在智慧微塵裡，這種規模要小得多。且無論規模大小，製造電池和電子裝置的技術都是不同的。

鋰離子電池等緊湊型電池是用「溼化學」方法生產的——例如在金屬箔上塗抹材料漿。調整材料的成分也只能提高少量的效能。

相比之下，微電子工程師使用蝕刻和沉積等方法，對半導體晶圓進行雕刻，要靠譜得多。但這些對於電池材料來說，效果並不好。所以我們需要從根本上進行不同的設計。

事實上，微型電池需要在兩個方面取得進步：

1. 能量密集、耐用的材料，以提高充電儲存能力。

2. 巧妙的架構，以縮小和組合元件。

作為專門製造微小裝置的奈米科學家，我們已經親眼目睹了將「電化學」和「微電子學」結合起來是多麼困難。

迄今為止，這些學科是分開發展的。微電子工程師努力將新材料（如活性聚合物）融入其工藝中。「交叉汙染」以及「熱和電子特性不匹配」是常見的問題。而同時，電池和材料科學家又往往滿足於根據某個引數最佳化材料，而不考慮其在裝置和電路中的應用。

這就是為什麼我們在實驗室裡建立了一個橫跨這些領域的跨學科團隊。

在這裡，我們也想呼籲電氣工程師、電池和聚合物科學家更加緊密地合作，以克服這些問題。重新設計電池結構、材料和製造方法應該是我們的研究重點。我們還想呼籲資助者和大學培養更多具有跨學科研究技能的科學家，以建立下一代微技術。

四種方法

電池本質上是一個由許多層組成的夾層。兩個電極以化學能的形式儲存電能。在這兩個電極之間，有一個電解質作為中介，使電荷流動不致短路。連線到電極上的兩個金屬集電體將電力引向外部電路。然而，電極越小，它們能容納的電荷就越少。裂縫和其他缺陷也可能會阻止電子的流動，導致電池失效。還有就是，脂肪材料層中離子和電子的扭曲通道會增加電阻。

為了繞過這些問題，最小的電池都非常薄。但它們單位面積能量密度也很低，約為一釐米大小的鋰離子紐扣電池的800倍。一塊麵積為2毫米2、厚度為150微米的薄膜電池可以為一個簡單的溫度感測器提供2天的能量。但它不能提供「資料傳輸」一個小時所需的能量。

這裡有四種方法可以在更小的空間裡儲存更多的電量。

一，在厚厚的電極上增加導電通道。就像在高速公路上畫出的車道一樣，嵌入的一排磁性顆粒能讓電荷保持平穩移動。然而，這種方法還沒有在毫米尺度上得到證明。準確地鋪設顆粒鏈是很困難的。裂縫仍然是一個問題。

二，將許多薄的電池夾層堆疊在一起。這樣可以保持電荷的「乾淨流動」。但很難可靠地沉積許多層，更不用說保持它們的排列。例如，退火一個電極層所需的高溫可能會破壞下面的其他電極層。同時，有些材料也不能被放置在其他材料之上。而且隨著堆疊的建立，不匹配的情況會越來越多。這種缺陷可能會導致間距很近的電極之間的短路。

三，重新設計電流收集器。將它們以柱狀而非片狀的形式構建，從而使結構成為3D，增加與電極和電解質的接觸面積，從而提高汲取電能的效率。例如，透過將其蝕刻在矽片上，以3D方式構建這種精細結構是可行的。但問題是要加入額外的步驟，如塗覆電極材料，組裝整個裝置會變得非常麻煩的。目前還沒有在微尺度上實現。

四，使用 「微奧裡 」摺疊或卷制薄膜。在更大的尺度上，可以用手工完成；在商用塊狀或圓柱狀電池中，使用摺疊或卷繞機。在毫米尺度上，自組裝是另一種方式。透過建立和釋放張力，可以使薄膜自己滾動。我們的小組已經用微型電容器做到了這一點，它是夾在金屬之間的電介質片。但是，就像捲起一張海報一樣，很難將薄膜捲起數百次而不發生錯位。磁性引導可以提供幫助：在電池薄膜中加入少量的鐵磁材料，並施加磁場，可以使卷繞程式保持在正確的軌道上。雖然我們已經用電容器展示了這一點，但電池組要難處理得多。因為它們更厚，其「機械行為」就變得更難預測。

摺疊則更具挑戰性。需要越來越大的力來彎曲不斷增長的「堆疊」（就像將一張紙翻幾倍一樣），鉸鏈會積累「應力」並開裂。一個 "自我摺疊 "的過程將需要考慮到所有這些細節，例如在鉸鏈中加入不同的材料。但是，要把所有的層和部件「對齊」還是很困難的。

我們估計，將一個薄膜電池摺疊30次，放入一個適合最小的計算機（0.14平方毫米）的區域內，一次充電至少可以為其供電100天。許多智慧微塵的應用將需要更強大的電池，其摺疊次數將達到數百次。

改進材料

微電池還需要材料的進步，使薄膜儘可能做得更薄，以幫助「微原形」，增強電荷儲存。鋰離子電池和水鋅電池都是最發達的化學制品。目前的挑戰是以「與半導體技術相容的方式」製造它們。

在鋰離子電池中，陰極材料(通常是金屬氧化物，如LiMn2O4和LiCoO2)可以在微小的尺度上工作，透過蝕刻或掀開多餘的材料。陽極(通常是石墨)和電解質則較難處理，電解質通常由液態有機化合物浸入基質或分離器中製成。固體電解質可以用這些辦法，但陶瓷在很薄的時候會失去導電性，而且很脆。聚合物可以成型，但成型的過程（如離子蝕刻和光固化）必須進行微調——例如，在其分子鏈中建立容易形成或斷裂的連結。其他方法也需要修正，如旋塗或在氣相中沉積聚合物電解質。此外，高分子電解質的導電性也需要改進，以便與液體電解質競爭。

需要能容納更多電荷的陽極。矽和鋰陽極正在探索中，但它們需要被穩定化。矽會與鋰發生反應，並在電池充電時膨脹，最終使電極「粉化」。奈米技術可以避免這種損害，例如將矽包裹在奈米石墨烯片中，並使用聚合物來適應體積變化。

由金屬鋰片製成的陽極也有很短的壽命週期。鋰會隨著電池的執行而被剝離，充電後會重新構建。但置換過程並不完善，陽極會在數百次迴圈中逐漸磨損。鋰在微細加工過程中需要更好的管理。一種方法是避免使用金屬片，用充電時仍在電解液中的離子有效地構建一個鋰電極。這樣的電池在5mm2晶片上可以迴圈80次。不過，這與植入式醫療裝置所需的5-25年的壽命還是有很大差距。

水性鋅電池還需要更好的電極。作為陽極的鋅，能有效地儲存和放電離子。酸性電解質可以比一般的鹼性電解質更好。但是鋅在酸中會溶解，釋放出氫氣。所以陽極必須用防腐層來保護，或者電解質需要進行改造，以減少質子的釋放。同樣，陰極（一般由MnO2和V2O5等金屬氧化物製成）也容易受到酸的影響，需要有一層阻隔層。

這種電池還需要在更高的電壓下工作--在超過約2V時，就會發生分水反應。這個問題需要克服，因為反應會消耗能量。需要探索所有參與攜帶電荷的中間離子（包括H+、Zn2+、Mn2+和OH-）及其與電極材料的相互作用的途徑。基於聚合物的電解質可能會提供一個對「水分裂」的緩衝。

其他電池化學正在出現，如使用Mg、Ca、K和Na離子的電池，但這些還沒有成熟到足以製造微型電池。

下一步工作

材料和微電子研究人員需要相互學習。當一種材料在實驗室裡工作得很好，但在實際裝置中卻很少能挽救這種效能時，是非常令人沮喪的。所以，我們必須到對方的實驗室裡，花幾天時間設計和製作對方的原型，瞭解對方的難題。例如，聚合物電解質如何能經受住上面金屬層圖案所需的「溼化學」作用？

在機器學習演算法的幫助下，計算機建模也將是必不可少的。最佳化結構和材料對實驗的要求很高。任何材料的變化（結晶度、厚度和合成路線）都會改變薄膜的力學、穩定性，從而改變「摺紙行為」。需要做繁瑣的工作來最佳化每個引數，如應變或電池化學。設計人員需要了解電化學和機械效能如何影響「自組裝過程」。

大學需要開設材料化學和微電子技術的跨學科課程，而資金應該來自這兩個領域。值得一提的是，中國正在朝著這個方向快速前進。8月，中國教育部設立了一個結合電子、工程、材料、化學和物理的跨學科學科，使其與自然科學等純學科平起平坐。目前已投資20多億美元，在中國廣州的世界一流研究機構「香港科技大學」建立新校區，它將採用樞紐模式。例如，「功能樞紐 」將融合材料和微電子學知識，以提高微型和奈米器件在多功能元件中的整合度。在德國開姆尼茨理工大學，我們中的一個人（O.G.S.）教授一門類似的課程，叫做微奈米技術中的材料。它混合了光子學、電子學、生物技術、微觀機器人學和儲能學，以培養學生為未來複雜的微系統工程做準備。

在這樣的協調努力下，我們相信，微電池將在十年內為不可察覺的「普適計算」鋪平道路。（普適計算是一個強調和環境融為一體的計算概念，而計算機本身則從人們的視線裡消失）。

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00021-2

Minshen Zhu, Oliver G. Schmidt