我們生活在一個(gè)日益縮小的世界里——每一年，微芯片的尺寸都變得越來(lái)越小，他們的功能卻不斷提升。但是在一個(gè)關(guān)鍵的領(lǐng)域，研究人員們一直在試圖創(chuàng)新，卻沒(méi)有獲得太大的進(jìn)展，那就是電池的生產(chǎn)。電池的尺寸減小速度始終沒(méi)有跟上其它電子裝置，從而成為拖累電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)限制條件。

如今這一切即將改變，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)Urbana-Champaign分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種3D打印鋰離子微型電池的方法，這種微型電池是如此之小，以至于可以直接放置在微芯片里。

 

研究人們將3D全息光刻（3D holographic lithography）技術(shù)與更為常規(guī)的2D光刻（一種與常見(jiàn)的印刷電路板相似的技術(shù)）結(jié)合起來(lái)制造出介孔結(jié)構(gòu)電極。所有這些研究的細(xì)節(jié)已經(jīng)被 發(fā)表在一片題為《高性能芯片內(nèi)3D鋰離子微電池的全息結(jié)構(gòu)（Holographic Patterning of High Performance on-chip 3D Lithium-ion Microbatteries）》的論文中，這篇論文被收錄于美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的論文集中。

“由于3D電極的復(fù)雜性，這樣的電池很難實(shí)現(xiàn)，更不要說(shuō)將其縮小并集成在芯片上了。”該論文的第一作者、MatSE研究生Hailong Ning說(shuō)，“在這個(gè)項(xiàng)目中，我們開(kāi)發(fā)了一種有效的方法來(lái)制造高性能的3D鋰離子微電池，而且使用的工藝與現(xiàn)有的微電子制造高度兼容。我們利用3D全息光刻確定電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并用2D光刻創(chuàng)建出所期望的電極形狀。這項(xiàng)工作融匯了制造、界定和建模的重要概念，展示出微電池的能量和功率與電極的大小、形狀、表面積、孔隙率和彎曲度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性。”

 

對(duì)于傳統(tǒng)的微型裝置來(lái)說(shuō)，由于能量存儲(chǔ)裝置的小型化極端困難，只能在芯片外為其供電。因此，研究人員們的這一發(fā)現(xiàn)將對(duì)眾多微電子應(yīng)用，如微型無(wú)線(xiàn)傳感器、便攜式和可植入醫(yī)療裝置、基于自主微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的執(zhí)行裝置和分布式顯示器等將起到巨大的推動(dòng)作用。

該制造工藝，如上文所述，主要使用3D全息光刻和傳統(tǒng)的光刻法來(lái)創(chuàng)建出電池的模板，然后然通過(guò)一種電沉積工藝層積活性材料薄層生成3D集電體，從而可以提供卓越的能量密度和大量的潛在應(yīng)用。據(jù)了解，這些電池具有非常大的可擴(kuò)展性，并與MEMS和CMOS等工藝高度兼容。

 

為了證明他們的研究成果，研究人員將一塊這樣的微電池鏈接到了LED上。這塊微電池的體積只有0.04立方毫米，容量?jī)H為0.83μAh，但它很容易地就能為L(zhǎng)ED供電200次，對(duì)于如此之小的電池相當(dāng)讓人印象深刻。