朱师兄发Nature了，快来看看！
朱师兄
2021-01-15
现任德国莱布尼兹研究所研究员，德国国家科学院士Prof. OliverG. Schmidt组微米级别储能器件研究方向的Group Leader。漫威的各路超级英雄在《无限战争》被灭霸收拾的服服帖帖，一半的人类在一个响指之后灰飞烟灭。Dr. Strange 甚至推演了一千四百万种可能性，其中只有一条获胜的方法。《终局之战》给出了答案：变小，变小，再变小，直到能进入量子世界，时空穿梭，从而获得先机。《蚁人》系列则直接反应了科幻电影对未来科技的一个思考：当我们能变得足够小并且与环境产生交互的时候，我们能获得什么？回到现实，我们还没有蚁人的能力，但是已经可以加工出微米尺寸的机器系统。
仅仅是尺寸缩小到微尺度并不能带来革命性的进步。有赖于人体高效的能量储存和供应，蚁人变小之后依旧能够完成超级英雄需要的复杂行为，比如说打击邪恶，拯救世界。在电子世界，复杂的行为可以通过开发联结不同的功能模块实现。然而，它们说，要有电。首先就需要能量的转化，比如说，动能，太阳能，化学能。这些能量往往不是持续且稳定的。好比我们不可能通过无时不刻吃东西来保证每天的所需的能量。因此，高效能量储存也是开发最终形态的微纳智能系统的必要条件。储能太过于高效对我们来说，很可能是个烦恼（看看自己的肚子），而对于电子设备来说却是个很大的设计挑战。电池是迄今为止使用最多的储能器件，小到一个耳机，大到卡车，都可以由电池提供能量。但是上文的两个微型设备，没有电池。为什么“臣妾”做不到呢？首先，加工方式太不一样了。电子设备依赖于片上微纳加工，是这样的：
不同的加工方式导致了严重的材料不兼容性。很多高性能的电池材料不能很简单的做到片上加工。
三明治结构。每一层可以通过微纳加工准确地控制尺寸并沉积到片上制定位置。但是，厚度不能太厚，不然会带来裂纹等问题。由于电量的储存正比于电极材料的质量，材料的密度又是一个定量，小体积电极限制了电池的储能能力，也就限制了复杂的高耗能的功能的实现。我们可以直接加厚电极，但是带来了缓慢的电荷转移。通过在厚电极中创造电子高速公路可以一定程度上解决这个问题。或者可以通过堆叠数个薄电极来实现。无论是引入新材料还是新的结构设计，片上加工难度都会陡增，无数的工程问题在前方等待解决。
或者，我们可以改变设计，通过增大电极面积的方法来实现高负载和快速的电荷转移。成熟的硅片刻蚀方法可以直接实现此类电极设计。增大长径比可以进一步提高储能能力。但是又高又瘦的电极柱提高了均匀的材料沉积的难度。
通过卷曲或者折叠的方式，增大单位面积/体积的能量。转移到片上，在微纳尺度上，我们怎么做呢？
【https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202002410】应力自助装提供了解法。从薄膜到三维结构，可以最大程度上利用已经成熟的片上薄膜电池的加工方式，同时将最终的产品缩小到所需的尺寸上。通常来说，材料内应力都会带来负面作用，比如说裂纹，最终导致失效。但是，内应力也可以作为驱动力来改变器件的结构。通过可编程或者逆向设计的origami方式，将一个二维薄膜最终转化为三维多层结构，通过有效增加单位面积上材料的负载量带来储能能力的提高。显然，增长卷曲或者折叠的距离可以进一步提高性能。知易行难，简单的原理带来了比较复杂的材料和结构设计。首当其冲的就是如何避免长距离的origami过程中的偏差。我们手动卷一张纸，随着圈数越来越多，都很难避免对不齐的情况出现，何况在微纳尺度上，没有内应力意外的矫正机制。一个简便的方式就是通过磁场矫正薄膜的卷曲行为。
【https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x】除了片上微纳电池结构的创新，电池材料的引入也需要适应片上加工策略。比如说，如何通过微纳加工将电极材料准确地变成相应结构。这一个简单的问题几乎排除了所有常见的电极优化策略。片上加工要么不适应高温，要么不能使用过于苛刻的化学合成，都极大限制了电极材料的选用。对于电解液来说，挑战甚至更大。液态电解液几乎不能在片上系统中使用。固态电解质在宏观尺度上尚未被优化到最佳，转移到微纳尺度上，往往性能还会进一步损失。更不论能够兼容的加工方法。聚合物电解质可以避免一些问题，但是如何在后续的微纳加工过程（溶剂中lift-off，真空沉积）保持良好的性能也还需要研究与优化。综上所述，开发一个高性能的，片上集成的，微型电池不仅仅需要新颖的电极结构，还需要相应的由器件需求出发又回到器件的材料设计。然而，这两个方向一定程度上代表了两个领域：电子工程和先进材料。唯有将两者的经验紧密结合，才能设计出所需要的电池，从而最终实现一个energy autonomous的未来智慧系统。Minshen Zhu et al. Tiny robots and sensors need tiny batteries — here’show to do it. Nature 2021.https://www.nature.com/articles/d41586-021-00021-2
