通過結(jié)合3D全息光刻和2D光刻技術(shù)，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校的科學(xué)家日前開發(fā)出一種適用于大規(guī)模集成電路的高性能3D微電池。研究人員稱，這種微型高能電池具有極其優(yōu)異的性能和可擴(kuò)展性，為人們提供了無限的想象空間，有望讓很多設(shè)備小型化應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。相關(guān)論文發(fā)表在美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》上。

只有指尖大小的微電池

負(fù)責(zé)此項(xiàng)研究的伊利諾伊大學(xué)材料與工程學(xué)教授保羅·布勞恩說，由于小型化儲(chǔ)能技術(shù)一直以來都是一個(gè)難題，微型設(shè)備通常都由片外電池或電源提供能源。其難點(diǎn)主要在于3D電極，這種電極十分復(fù)雜，在普通電池上實(shí)現(xiàn)的難度都比較大，更不用說片上集成。新技術(shù)成功突破了難關(guān)，讓很多重要的應(yīng)用成為了可能。

論文第一作者、伊利諾伊大學(xué)材料與工程學(xué)院研究生寧海龍(音譯)稱，他們采用了一種能夠與現(xiàn)有微電子制造高度兼容的技術(shù)，開發(fā)出這種微型3D鋰離子電池。在制造電極時(shí)，他們先用3D全息光刻技術(shù)來界定電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再用2D光刻技術(shù)塑造電極的外部形狀。借助3D全息光刻技術(shù)，研究人員通過光束創(chuàng)建出完美的三維結(jié)構(gòu)，讓這種微型電池獲得了性能優(yōu)異的多孔電極，有助于電池內(nèi)部電子和離子的快速傳導(dǎo)。

這種方法的顯著優(yōu)勢在于，能讓人們對(duì)與電池能量、功率密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行靈活的調(diào)整，如電極的大小、形狀、表面積、孔隙率和彎曲狀態(tài)等。這為下一代芯片儲(chǔ)能設(shè)備的設(shè)計(jì)制造鋪平了道路。

雖然3D全息光刻技術(shù)需要對(duì)光束進(jìn)行十分精確的控制，但最近的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)大幅縮減了整個(gè)過程所需的光學(xué)器件，僅需一個(gè)單一光束和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光刻過程就能滿足制造這種微電池的需要。

伊利諾伊大學(xué)材料工程學(xué)教授約翰·羅杰斯說，該技術(shù)讓這種電池獲得了高度的可擴(kuò)展性和在微電子制造過程中的兼容性。在結(jié)合如錫等高能材料后，還能提供激動(dòng)人心的新功能，其中就包括高容量和良好的循環(huán)壽命，這種電池將為片上設(shè)備提供安全可靠的能源。

布勞恩說，這種小型化、高能量和大功率片上電池將讓自主微尺度致動(dòng)器、分布式無線傳感器、發(fā)射器、監(jiān)視器以及便攜式、可植入醫(yī)療設(shè)備等獲得長足的發(fā)展。