在沒有那麼久遠前的過去時有段時間,電腦還很大,會佔據整個房間。而今日,有一些處理器甚至可以到跟幾粒塵埃一樣的小。即使是在一粒米旁邊,這些微米大小的晶片堆仍看起來無限小。然而,科學家已證實,要將電腦電池縮小以符合電腦尺寸,這更加困難。

微小世界

由於幾乎沒有存放空間,最小的電腦須仰賴超音波電池或太陽能電池,持續透過振動或太陽能,來替微電池充電。這有其缺點,因為若是沒有持續的電源供應,電腦就無法運轉。此外,它也無法像人體一樣在暗處也能工作。

因此,有些在歐洲的科學家就提出了一個替代結構:如折紙般地,將微細的層折疊起來的微電池。這種電池目前為止只是原型,但是初步的結果是很振奮人心的。

研究作者寫說:「我們有著急迫需求,來為毫米及次毫米尺寸領域,研發高效能電池,因為這類的儲能系統會加速真正自主的微系統的研發。」

技術改良

全尺寸電腦電池通常是根據「濕化學」,這是指說,會導電的金屬箔會與液態的電解質接觸來產生能量。然而,特定尺寸的晶片式電池沒辦法支持撐液態電解質。

因此,這個新微電池的發明家們,在兩片塗有超薄電極膜(正極負極各一)的微晶片中,擠進固態電解質。然而,這個固態電解質並不如使用液態電解質般一樣有效率,因此這時就引進了折疊的概念。

藉由將平的電池堆捲成「瑞士捲圓柱」,科學家們就能將許多表面積擠進狹小的空間內。這實際上就是特斯拉電動車內的圓柱電池運作的方式。

在 1 立方毫米的規模下,要透過外部壓力將又薄又脆的材料捲成這類型的形狀,這是非常困難的。很幸運地,有另一個方法能夠讓材料自身折疊起來。這個方法被稱作「微摺紙」(micro-origami)。

這項技術運作起來蠻像將百葉窗捲起來。隨著這個薄材料被拉下來,就可以釋放機械張力,而整個東西就會彈起來並捲成一個圓筒狀。在晶片上,研究人員能夠藉由固定薄材料的一側,來實現這個動作。實質上,就像創造了百葉窗的橫桿一樣。

初始研究結果

最終,研究團隊能夠將一微電池的原型捲起來,面積只佔 0.04 平方毫米,而且比起相似大小的扁平電池,這顆捲起來的電池所達成的能力是扁平電池的 8 倍。

研究作者們說這個圓筒很像用於大型電池當中的標準瑞士捲結構,包括了至少兩層集極(collector)層、一層陰極薄膜、一層陽極薄膜、以及一層電解質薄膜,全部都捲在一起。

這個電池設計不僅是可以重複充電的,研究人員還說,目前這個電池可以提供我們的電腦至少 10 小時的電力。不過,仍然有許多必須完成的研究。

德國開姆尼茨工業大學(Chemnitz University of Technology)的物理學家奧利佛·施密特教授(Oliver Schmidt)說:「關於這項科技,仍然具有巨大的優化可能,而在未來,我們可以預期更強大的微電池。」

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參考資料:

  1. Cassella, C., (2022, March 1). Scientists Unveil Extremely Small Battery for the Smallest Computers in The World. ScienceAlert
  2. Li, Y. et al., (2022, February 9). On-Chip Batteries for Dust-Sized Computers. Advanced Energy Materials. doi.org/10.1002/aenm.202103641
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/we-finally-have-batteries-than-can-power-the-smallest-computers-in-the-world(圖:Zhu et al., Advanced Energy Materials, 2022)
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