Nejmenší baterie na světě: 2D systém na čipu

Nejmenší baterie na světě je menší než zrnko soli a na povrchu waferů (substrátových polovodičů) je lze vedle sebe vyrábět ve velkém množství. Alespoň v prototypu.

Miniaturní elektronika stejně jako biokompatibilní systémy v lidském těle vyžadují počítače a baterie nebo jiné zdroje energie menší než prachové částice. Tomuto vývoji zatím brání dva hlavní faktory: nedostatek zdrojů energie v systémech integrovaných na čipu a obtíže při výrobě integrovatelných mikrobaterií.
Výzkumníci z Chemnitz University of Technology, Leibniz Institute Dresden a Changchun Institute of Applied Chemistry nyní navrhli způsob, jak v submilimetrovém měřítku realizovat aplikace chytrého prachu. Pro napájení těchto systémů pak dále zkonstruovali prototyp dosud nejmenší baterie na světě. Navíc jde prakticky o 2D systém a technologie má nabízet obrovský prostor pro další optimalizace.
Energii pro provoz miniaturních submilimetrových počítačů lze zajistit vývojem vhodných baterií nebo metod „sběru“ energie z prostředí a její přeměny na energii elektrickou. Takovým zdrojem energie mohou být např. mikrotermoelektrické generátory přeměňují teplo na elektřinu, ale jejich výstupní výkon je prozatím příliš nízký na to, aby mohly fungovat v příslušném měřítku. Možným zdrojem energie pro napájení drobných zařízení jsou mechanické vibrace. Slibné jsou také malé fotovoltaické články, které přeměňují světlo na elektrickou energii v systémech na malých čipech. Jenže například u mikroelektroniky, která má fungovat v lidském těle (a obsahující mj. senzory či aktuátory), se na světlo ani mechanické vibrace jako zdroj energie spoléhat nedá. V tom je podstatný rozdíl od řady dalších technologií Internetu věcí (plus samozřejmě požadavek na biokompatibilitu). Nezbývá proto, než se snažit o miniaturizaci baterií a zvyšování jejich kapacity a dalších provozních parametrů.
Výroba malých baterií se od těch klasických značně liší. Kompaktní baterie s vysokou hustotou energie se vyrábějí pomocí „mokré“ chemie. Elektrodové materiály a přísady (uhlíkové materiály, pojiva…) se zpracovávají do suspenze a nanášejí se na kovovou fólii. Mikrobaterie na čipu vyrobené pomocí těchto standardních technologií mohou poskytnout dobrou hustotu energie a výkon, ale mají plochu výrazně větší než jeden milimetr čtvereční.
Pro výrobu baterií na čipu se proto používají jiné techniky a součástky, mj. stohované tenké vrstvy, elektrodové sloupce a mikroelektrody. Výsledkem však bývá nižší kapacita baterií a ani tak jejich plochu často nelze snížit výrazně pod jeden milimetr čtvereční. Cílem nového výzkumu proto bylo navrhnout baterii o průměru výrazně menším než jeden čtvereční milimetr a integrovatelnou na čip, která by přesto měla hustotu energie alespoň 100 mikrowatthodin na čtvereční centimetr. Aby toho dosáhli, vědci proudové kolektory a pásky pro vytvoření elektrod „navíjeli“ – podobný postup používá ve velkém měřítku Tesla při výrobě baterií pro elektromobily. Vrstvený systém se vytvářel postupným nanášením tenkých vrstev polymerních, kovových a dielektrických (izolačních) materiálů na povrch destičky. V důsledku mechanického napětí se vrstvy samy srolovaly do potřebné struktury, k vytvoření válcové mikrobaterie samouspořádáním nebyly potřeba žádné vnější síly. Jak uvádějí autoři nové studie, celá metoda je přitom kompatibilní se zavedenými technologiemi výroby čipů a je schopna vytvářet vysoce výkonné mikrobaterie na povrchu waferu.
Prototyp mikrobaterie je dobíjecí a nejmenší počítačové čipy dokáže prozatím napájet řádově deset hodin.

Yang Li et al, On‐Chip Batteries for Dust‐Sized Computers, Advanced Energy Materials (2022). DOI: 10.1002/aenm.202103641
Zdroj: Chemnitz University of Technology / TechXplore.com