如今這一切即將改變,美國伊利諾伊大學(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(一種與常見的印刷電路板相似的技術(shù))結(jié)合起來制造出介孔結(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國家科學(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,“在這個(gè)項(xiàng)目中,我們開發(fā)了一種有效的方法來制造高性能的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)的微型裝置來說,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,如微型無線傳感器、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)的光刻法來創(chuàng)建出電池的模板,然后然通過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,容量僅為0.83μAh,但它很容易地就能為LED供電200次,對(duì)于如此之小的電池相當(dāng)讓人印象深刻。
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