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。相關(guān)論文發(fā)表在美國《國家科學(xué)院學(xué)報》上。
負責(zé)此項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，由于小型化儲能技術(shù)一直以來都是一個難題，微型設(shè)備通常都由片外電池或電源提供能源。其難點主要在于3D電極，這種電極十分復(fù)雜，在普通電池上實現(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，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，能讓人們對與電池能量、功率密切相關(guān)的參數(shù)進行靈活的調(diào)整，如電極的大小、形狀、表面積、孔隙率和彎曲狀態(tài)等。這為下一代芯片儲能設(shè)備的設(shè)計制造鋪平了道路。
雖然3D全息光刻技術(shù)需要對光束進行十分精確的控制，但最近的技術(shù)進步已經(jīng)大幅縮減了整個過程所需的光學(xué)器件，僅需一個單一光束和一個標準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。
