新型3D微电池适用于大规模片上集成

微型电池可以在实际的能源使用点提供能量，为电子设备的小型化和提高其性能提供能力。

美国伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程教授保罗·布劳恩说:“这种3D微电池具有卓越的性能和可扩展性，我们认为它将对许多应用具有重要意义。”

他在一份声明中补充说:“由于小型化储能技术的困难，微型设备通常使用芯片外供电。”“小型化的高能量和大功率片上电池将非常适用于自动微型执行器、分布式无线传感器和发射机、监视器以及便携式和植入式医疗设备等应用。”

随着传感器、无线通信设备、个人健康监测系统和自主微机电系统的小型化，对小型化集成电源的需求越来越大。

尽管薄膜电池非常适合片上集成，但其单位面积的能量和功率是有限的。三维电极设计有潜力在单位面积上提供更大的功率和能量。然而，之前对3D微电池的努力导致了固体电极的原型，因此低功耗或介结构电极与制造或片上集成不兼容。

利用新型3D微电池，通过将3D全息光刻技术与传统光刻技术相结合来制备介观结构电极，从而实现了对电极内部介观结构和电极在基底上的空间分布的确定性控制。由此产生的全电池表现出令人印象深刻的性能——传统LED由一个10 μm厚、面积为4毫米的微电池驱动，峰值电流为500 μ a (600-C放电)²200个循环，12%的容量衰减。

“在这个项目中，我们开发了一种有效的方法，使用与微电子制造高度兼容的工艺来制造高性能3D锂离子微电池，”材料科学与工程系的研究生海龙宁说。Ning是高性能片上3D锂离子微电池的全息图版的第一作者，发表于美国国家科学院院刊．

宁补充说，这项工作融合了制造、表征和建模中的重要概念，表明微电池的能量和功率与电极的结构参数(如尺寸、形状、表面积、孔隙度和弯曲度)密切相关。

他说:“这种新方法的一个显著优势是，这些参数可以在光刻步骤中轻松控制，这为设计下一代片上储能设备提供了独特的灵活性。”

通过3D全息图案技术，在光刻胶内部有多个光束干涉，形成理想的3D结构，电池具有明确的、周期性结构的多孔电极，这有利于电子和离子在电池内的快速传输，提供超级电容器般的功率。

材料科学与工程教授John Rogers说:“尽管构建3D全息光刻技术需要对干涉光束进行精确控制，但最近的进展已经大大简化了所需的光学系统，可以通过单入射光束和标准光刻胶处理来创建结构。”