微型機器人需要微型電池,如何才能設計出更小的電池

微型機器人需要微型電池,如何才能設計出更小的電池

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只有鹽粒大小的電腦、感測器和機器人正在開發中,它們可移動,並能檢測光、聲、壓力、化學物質和磁場。

它們不到1公釐長,只有幾百微米那麼厚,可以處理訊息並進行無線通訊。它們的用途廣泛,從醫學診斷、手術、腦部監測到跟蹤蝴蝶和農作物狀態無所不能。

那麼如何為它們供電呢?

目前最小的電池面積約為2平方公釐,是「塵埃」晶片的數倍,不足以持續驅動設備的複雜功能。因此, 智慧型「塵埃」晶片一般依靠外部電源,例如太陽能電池板。但是,這樣它們就無法在晚上或大霧天工作了。

顯然,電池需要縮小。

但是,你很難將所有零件壓縮到更緊湊的空間中。另外,它們還需要內建到微型設備中,這就像特斯拉在使電池成為其電動汽車不可或缺的一部分方面所做的努力,只不過這是在一個更小的維度上。

緊湊型電池(例如鋰離子電池)是使用濕化學方法生產的,例如,將材料的漿液塗在金屬箔上。調整材料的成分只能在一定程度上提高性能。

相比之下,微電子工程師使用諸如蝕刻和沉積之類的方法雕刻半導體晶片以實現某些改進。但是,這些方法不適用於電池材料。對於電池來說要想提高需要從根本上重新設計。

微型電池需要同時在兩個領域取得進步以提高電荷儲存能力,分別是能量密集和耐用性材料,同時還要考慮精巧的架構來縮小和組合零件。

我們已經真實感受到了將電化學和微電子技術結合起來有多麼困難。這些學科是各自獨立發展的。微電子工程師努力將新材料(例如活性聚合物)納入其工藝,交叉汙染以及熱性能和電子性能不匹配是常見問題。同時,電池和材料科學家通常對材料某一種參數的優化感到滿意,卻沒有考慮其用於設備和電路中的實際情況。這就是為什麼我們在實驗室中建立了一個跨領域的跨學科團隊的原因。

縮小電池的四種方法

電池本質上就像一個多層的三明治。

兩個電極將電能以化學能的方式儲存起來。在兩者之間,電解液在不發生短路的前提下調節電荷的流動。連接電極的兩個金屬集電器將電源引到外部電路。但是,電極越小,它們可以容納的電荷越少。裂紋和其他缺陷可能會阻止電子流動並導致電池故障。油脂材料層中離子和電子的彎曲通道也會增加電阻。

為了避免其中一些問題,最小的電池非常薄,但並不強大。它們的單位面積能量密度很低,大約是一公分大小的鋰離子紐扣電池的1/800。面積為2平方公釐、厚度為150微米的薄膜電池可以為一個簡單的溫度感測器供電2天,但無法支援一個小時的數據傳輸。

下圖展示了較小的空間中儲存更多電荷的四種方法。

微型機器人需要微型電池,如何才能設計出更小的電池

一是在厚電極上增加導電通道。就像塗了油漆的高速公路車道一樣,嵌入的成排的磁性粒子能使電荷平穩移動。但是,這種方法尚未在公釐級的尺度上得到驗證。精確地設置粒子鏈很困難,而裂縫仍然是一個難題。

二,將許多薄的「電池三明治疊」在一起。這樣可以使電荷乾淨利落地流動。但難點是可靠地疊置很多層,更不用說保持它們對齊了。例如,退火一個電極層所需的高溫可能破壞下面的另一個電極層。有些材料不能很好地放在其他材料之上。隨著堆疊的建立,不匹配也會增加。缺陷可能會導致間隔較近的電極之間發生短路。

第三,重新設計集電器。將它們構建為支柱而不是片材,從而形成3D結構,增加與電極、電解質的接觸面積,以此提高吸取功率的效率。例如,透過蝕刻到矽晶片中來構建此類精細的3D結構是可行的。但是,將其他步驟(例如塗層電極材料)也包括進來,想用這一技術組裝整個設備是極其不可取的。在微尺度上尚未實現。

第四、使用「微型摺紙」將薄膜摺疊或卷曲。在更大的尺度上,這一工藝用手工就可以做到。在商用塊狀或圓柱狀電池中,使用摺疊機或捲繞機完成這一工序。在公釐級尺度,自組裝是另一種實現方法。薄膜可以透過內建和釋放張力來捲起。我們的小組使用微型電容器來做到這一點,也就是是夾在金屬之間的電介質薄片。但是,就像捲起海報一樣,很難將薄膜纏繞數百遍而不會錯位。磁性引導的方法可以有些幫助:將少量鐵磁性材料摻入電池膜中並施加磁場可使卷曲過程保持正常。儘管我們已經用電容器實現了這一點,但是電池組卻很難處理。它們更厚,機械性能更難預料。

摺疊更具挑戰性。就像對一張紙重複摺疊多次一樣,隨著堆層的逐漸增加彎曲所需的力也隨之提高。合頁會積聚應力和裂紋。「自摺疊」過程需要考慮所有這些細節,例如將不同的材料合併到合頁中。但是,對齊所有層和零件仍然很困難。

我們估計,將薄膜電池摺疊30次到適合最小電腦(0.14 mm2)的面積,一次充電即可為它供電至少100天。許多 智慧型「塵埃」應用將需要功能更強大的電池,這些電池需要摺疊數百次。

提升材料

微電池還需要材料方面的進步,以便可以將薄膜製作得盡可能薄,以輔助微摺紙並增強電荷儲存。鋰離子和水性鋅電池是最成熟的化學方法。挑戰在於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,例如LiMn2O4和LiCoO2)可以透過蝕刻或剝離多餘的材料小規模得以實現。陽極(通常是石墨)和電解質較難處理,電解質通常由液態有機化合物製成,浸入基質或隔板中,可以形成固體電解質。但是,陶瓷非常薄時會失去導電性,並且很脆。可以對聚合物進行塑形,但是必須對聚合物進行塑形(比如離子蝕刻和光固化),在易於形成或斷裂的分子鏈中建立連結來進行微調。其他方法也需要改進,例如在氣相中旋轉鍍膜或沉積聚合物電解質。聚合物電解質的電導率也需要提高,才能與液體電解質競爭。

需要容納更多電荷的陽極。矽和鋰陽極正在研究中。但是它們需要穩定下來。矽與鋰發生反應,在電池充電時會發生膨脹,最終使電極粉碎。奈米技術可以避免這種損壞,例如透過將矽包裹在石墨烯奈米片中並使用聚合物來適應體積變化。同時,這些解決方案還必須適用於晶片製造。

由金屬鋰條製成的陽極的使用壽命也很短。當電池運行並在充電後鋰會被剝離。但是更迭過程並不完美,陽極在數百個循環中逐漸磨損。鋰需要在微細加工過程中得到更好的管理。一種方法是避免使用金屬條,並在充電過程中由仍然存在於電解質中的離子有效地構建鋰電極。這種在5平方公釐晶片上的電池可以循環充電80次。這距離植入式醫療設備所需的5–25年的使用壽命還有很長一段距離。

含水鋅電池也需要更好的電極。用作陽極的鋅可以有效地儲存和釋放離子。酸性電解質可以比典型的鹼性電解質更好。但是鋅溶解在酸中並釋放出氫,因此必須用防腐層保護陽極,或者需要對電解質進行改性以釋放更少的質子。同樣,陰極(通常由MnO2和V2O5等金屬氧化物製成)易受酸腐蝕,並需要阻擋層。

此類電池還需要在更高的電壓下工作,至少大於2V,這樣會發生水分解反應。由於這一反應消耗能量,因此需要克服該問題。需要探索所有涉及帶電電荷的中間離子(包括H +,Zn2 +,Mn2 +和OH-)及其與電極材料的相互作用的途徑。聚合物基電解質可能會為水分解提供緩衝。

其他電池化學方法正在出現,例如使用Mg,Ca,K和Na離子的化學方法。這些都還不夠成熟,無法製造微型電池。

下一步怎麼辦?

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中運行良好時但是在真正的設備中幾乎不能應用時,是一件很令人沮喪的事。我們必須走到彼此的實驗室工作台邊,花幾天時間設計和製造彼此的原型,並理解彼此的難點。例如,聚合物電解質如何承受在其上方對金屬層進行建模所需的濕化學作用?在電池堆中給定位置和層的晶片晶片上,需要新工藝來合成材料。

諸如美國材料研究學會、美國化學學會和美國物理學會之類的材料會議應該邀請電子工程師參加有關能量儲存的議程。而諸如VLSI國際研討會等電子會議有關半導體技術的環節應邀請材料科學家分享他們在電池化學方面的最新知識。一個很重要的目的是為提升微電池性能和目標規範制定聯合技術路線圖。

在機器學習演算法的幫助下,電腦建模必不可少。實驗上要求優化結構和材料。材料的任何變化(結晶度、厚度和合成路線)都會改變薄膜的力學性能,穩定性和摺疊性能。需要進行繁瑣的工作來優化每個參數,例如張力或電池化學成分。設計人員需要瞭解電化學和機械性能如何影響自組裝過程。

需要制定計畫來生成和共享電池和微型設備的可複製數據。伊利諾伊州能源儲存研究聯合中心和「歐洲2030+電池計畫」倡議促進了向下一代電池的合作,包括 智慧型應用、耐用材料和工業製造。

大學需要提供材料化學和微電子技術的跨學科課程。資金應同時來自這兩個領域。中國正在朝這個方向迅速發展。8月,中國教育部設立了一個跨學科的學科,將電子、工程、材料、化學和物理相結合,並將其與自然科學等純學科相提並論。已投資超過20億美元在全球領先的研究機構香港科技大學在中國廣州建立新校區。它將遵循中心整合模式。例如,功能中心將融合材料和微電子學知識,以提高將微型或奈米設備整合到多功能零件中的能力。德國開姆尼茨工業大學開設一門類似的課程,稱為微奈米技術材料學(materials in micro- and nanotechnologie)。它融合了光子學、電子學、生物技術、微機器人技術和能量儲存,為學生為未來的從事複雜微系統工程做好準備。

透過協同努力,微型電池將在十年之內為無感知運算和普適運算技術鋪平道路。

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